[project @ 2002-08-01 12:49:06 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
23 separate libraries documentation describes all the libraries that come
24 with GHC.
25 </para>
26
27 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
28   <sect1 id="options-language">
29     <title>Language options</title>
30
31     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
32     </indexterm>
33     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
36     </indexterm>
37
38     <para> These flags control what variation of the language are
39     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
40     98.</para>
41
42     <variablelist>
43
44       <varlistentry>
45         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
46         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
47         <listitem>
48           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
49           Haskell 98 described in <xref
50           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
51           noted. </para>
52         </listitem>
53       </varlistentry>
54
55       <varlistentry>
56         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
57         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
58         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
59         <listitem>
60           <para>This option enables the language extension defined in the
61           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
62           syntax of previous versions of the FFI for backwards
63           compatibility.</para> 
64         </listitem>
65       </varlistentry>
66
67       <varlistentry>
68         <term><option>-fwith</option>:</term>
69         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
70         <listitem>
71           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
72           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
73           compatibility.
74           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
75           flag. </para>
76         </listitem>
77       </varlistentry>
78
79       <varlistentry>
80         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
81         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
82         <listitem>
83           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
84           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
85           flag. </para>
86         </listitem>
87       </varlistentry>
88
89       <varlistentry>
90         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
92         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
93         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
96         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
97         <listitem>
98           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
99           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
100         </listitem>
101       </varlistentry>
102
103       <varlistentry>
104         <term><option>-finline-phase</option></term>
105         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
106         <listitem>
107           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
108           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
109         </listitem>
110       </varlistentry>
111
112       <varlistentry>
113         <term><option>-fgenerics</option></term>
114         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
115         <listitem>
116           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
117           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
118         </listitem>
119       </varlistentry>
120
121         <varlistentry>
122           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
123           <listitem>
124             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
125             option</primary></indexterm> GHC normally imports
126             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
127             rather it didn't, then give it a
128             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
129             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
130             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
131             module namespace is flat, and you must not conflict with
132             any Prelude module.)</para>
133
134             <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
135             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
136             Prelude types and values, as specified by the Haskell
137             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
138             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
139             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
140             translation for list comprehensions continues to use
141             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
142
143             <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
144             change the handling of certain built-in syntax: see
145             <xref LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
146
147           </listitem>
148         </varlistentry>
149
150     </variablelist>
151   </sect1>
152
153 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
154 <!--    included from primitives.sgml  -->
155 &primitives;
156
157
158 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
159 <sect1 id="type-extensions">
160 <title>Type system extensions</title>
161
162 <sect2 id="nullary-types">
163 <title>Data types with no constructors</title>
164
165 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
166 a data type with no constructors.  For example:</para>
167
168 <programlisting>
169   data S      -- S :: *
170   data T a    -- T :: * -> *
171 </programlisting>
172
173 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
174 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
175 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
176 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
177
178 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
179 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
180 </sect2>
181
182 <sect2 id="infix-tycons">
183 <title>Infix type constructors</title>
184
185 <para>
186 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
187 like expressions.  More specifically:
188 <itemizedlist>
189 <listitem><para>
190   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
191   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
192   </para></listitem>
193 <listitem><para>
194   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
195   </para></listitem>
196 <listitem><para>
197   Back-quotes work
198   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
199   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
200   </para></listitem>
201 <listitem><para>
202   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
203   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
204   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
205 <screen>
206   infixl 7 T, :*:
207 </screen>
208   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
209   and similarly for <literal>:*:</literal>.
210   <literal>Int `a` Bool</literal>.
211   </para></listitem>
212 <listitem><para>
213   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
214   </para></listitem>
215 <listitem><para>
216   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
217 <screen>
218   data a :*: b = Foo a b
219   type a :+: b = Either a b
220 </screen>
221   </para></listitem>
222 <listitem><para>
223   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
224   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
225   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
226   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
227   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
228   lists.  So for now we just exclude them.
229   </para></listitem>
230
231 </itemizedlist>
232 </para>
233 </sect2>
234
235 <sect2 id="sec-kinding">
236 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
237
238 <para>
239 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
240 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
241 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
242 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
243 John Hughes had to define the data type:
244 <Screen>
245      data Set cxt a = Set [a]
246                     | Unused (cxt a -> ())
247 </Screen>
248 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
249 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
250 </para>
251 <para>
252 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
253 a type variable is explicitly bound.  Namely:
254 <itemizedlist>
255 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
256 <Screen>
257   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
258 </Screen></para></listitem>
259 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
260 <Screen>
261   type T (f :: * -> *) = f Int
262 </Screen></para></listitem>
263 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
264 <Screen>
265   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
266 </Screen></para></listitem>
267 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
268 <Screen>
269   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
270 </Screen></para></listitem>
271 </itemizedlist>
272 </para>
273
274 <para>
275 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
276 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
277 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
278 single lexeme in Haskell.
279 </para>
280
281 <para>
282 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
283 as well.  Thus:
284 <Screen>
285    f :: (Int :: *) -> Int
286    g :: forall a. a -> (a :: *)
287 </Screen>
288 The syntax is
289 <Screen>
290    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
291 </Screen>
292 The parentheses are required.
293 </para>
294 </sect2>
295
296
297 <sect2 id="class-method-types">
298 <title>Class method types
299 </title>
300 <para>
301 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
302 class type variable, thus:
303 <programlisting>
304   class Seq s a where
305     fromList :: [a] -> s a
306     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
307 </programlisting>
308 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
309 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
310 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
311 </para>
312 <para>
313 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
314 </para>
315
316 </sect2>
317
318 <sect2 id="multi-param-type-classes">
319 <title>Multi-parameter type classes
320 </title>
321
322 <para>
323 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
324 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
325 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
326 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
327 Jones, Erik Meijer).
328 </para>
329
330 <para>
331 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
332 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
333 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
334 examples to support several generalisations.  (These appear below as
335 design choices not implemented in 3.02.)
336 </para>
337
338 <para>
339 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
340 will migrate towards the same design choices as I outline here.
341 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
342 feedback.
343 </para>
344
345 <sect3>
346 <title>Types</title>
347
348 <para>
349 There are the following restrictions on the form of a qualified
350 type:
351 </para>
352
353 <para>
354
355 <programlisting>
356   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
357 </programlisting>
358
359 </para>
360
361 <para>
362 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
363 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
364 explicit source-language type signature are universally quantified,
365 except for the class type variables in a class declaration.  However,
366 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
367 </para>
368
369 <para>
370
371 <OrderedList>
372 <listitem>
373
374 <para>
375  <emphasis>Each universally quantified type variable
376 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
377
378 The reason for this is that a value with a type that does not obey
379 this restriction could not be used without introducing
380 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
381
382
383 <programlisting>
384   forall a. Eq a => Int
385 </programlisting>
386
387
388 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
389 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
390 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
391 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
392 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
393 get any more information about <literal>tv</literal>.
394
395 </para>
396 </listitem>
397 <listitem>
398
399 <para>
400  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
401 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
402
403 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
404 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
405
406
407 <programlisting>
408   forall a. C a b => burble
409 </programlisting>
410
411
412 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
413 mention <literal>a</literal>:
414
415
416 <programlisting>
417   forall a. Eq b => burble
418 </programlisting>
419
420
421 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
422 excluded types are never useful or necessary (because the offending
423 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
424 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
425 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
426 territory free in case we need it later.
427
428 </para>
429 </listitem>
430
431 </OrderedList>
432
433 </para>
434
435 <para>
436 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
437 or inferred.
438 </para>
439
440 <para>
441 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
442 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
443 are perfectly OK
444 </para>
445
446 <para>
447
448 <programlisting>
449   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
450   g :: Eq [a] => ...
451 </programlisting>
452
453 </para>
454
455 <para>
456 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
457 </para>
458
459 </sect3>
460
461 <sect3>
462 <title>Class declarations</title>
463
464 <para>
465
466 <OrderedList>
467 <listitem>
468
469 <para>
470  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
471
472
473 <programlisting>
474   class Collection c a where
475     union :: c a -> c a -> c a
476     ...etc.
477 </programlisting>
478
479
480
481 </para>
482 </listitem>
483 <listitem>
484
485 <para>
486  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
487 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
488 this is OK:
489
490
491 <programlisting>
492   class C a where {
493     op :: D b => a -> b -> b
494   }
495
496   class C a => D a where { ... }
497 </programlisting>
498
499
500 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
501 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
502 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
503
504 </para>
505 </listitem>
506 <listitem>
507
508 <para>
509  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
510 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
511 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
512
513
514 <programlisting>
515   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
516     ...
517
518   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
519     lift :: m a -> (t m) a
520 </programlisting>
521
522
523 </para>
524 </listitem>
525 <listitem>
526
527 <para>
528  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
529 must mention at least one type variable that is not a class type
530 variable</emphasis>.
531
532 Thus:
533
534
535 <programlisting>
536   class Collection c a where
537     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
538 </programlisting>
539
540
541 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
542 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
543 <literal>a</literal>.  On the other hand:
544
545
546 <programlisting>
547   class C a where
548     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
549 </programlisting>
550
551
552 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
553 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
554 example is easily fixed by moving the offending context up to the
555 superclass context:
556
557
558 <programlisting>
559   class Eq a => C a where
560     op ::(a,b) -> (a,b)
561 </programlisting>
562
563
564 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
565 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
566 Rule 1(b) for types above.
567
568 </para>
569 </listitem>
570 <listitem>
571
572 <para>
573  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
574 the class type variables</emphasis>.  For example:
575
576
577 <programlisting>
578   class Coll s a where
579     empty  :: s
580     insert :: s -> a -> s
581 </programlisting>
582
583
584 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
585 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
586 types, and has the same motivation.
587
588 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
589 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
590
591
592 <programlisting>
593   class Coll s a where
594     empty  :: s a
595     insert :: s a -> a -> s a
596 </programlisting>
597
598
599 which makes the connection between the type of a collection of
600 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
601 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
602 class like this:
603
604
605 <programlisting>
606   class CollE s where
607     empty  :: s
608
609   class CollE s => Coll s a where
610     insert :: s -> a -> s
611 </programlisting>
612
613
614 </para>
615 </listitem>
616
617 </OrderedList>
618
619 </para>
620
621 </sect3>
622
623 <sect3 id="instance-decls">
624 <title>Instance declarations</title>
625
626 <para>
627
628 <OrderedList>
629 <listitem>
630
631 <para>
632  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
633 declarations
634
635
636 <programlisting>
637   instance context1 => C type1 where ...
638   instance context2 => C type2 where ...
639 </programlisting>
640
641
642 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
643
644 However, if you give the command line option
645 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
646 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
647 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
648 if another instance declaration also applies, either now or later.
649
650 <itemizedlist>
651 <listitem>
652
653 <para>
654  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
655 </para>
656 </listitem>
657 <listitem>
658
659 <para>
660  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
661 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
662 </para>
663 </listitem>
664 </itemizedlist>
665 Notice that these rules
666 <itemizedlist>
667 <listitem>
668
669 <para>
670  make it clear which instance decl to use
671 (pick the most specific one that matches)
672
673 </para>
674 </listitem>
675 <listitem>
676
677 <para>
678  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
679 Reason: you can pick which instance decl
680 "matches" based on the type.
681 </para>
682 </listitem>
683
684 </itemizedlist>
685 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
686 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
687 <programlisting>
688   instance C (Int,a) where ...
689   instance C (a,Bool) where ...
690 </programlisting>
691 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
692 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
693 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
694 </para>
695 <para>
696 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
697 <programlisting>
698   class C a where { op :: a -> a }
699   instance C [Int] where ...
700   instance C a => C [a] where ...
701   
702   f :: C b => [b] -> [b]
703   f x = op x
704 </programlisting>
705 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
706 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
707 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
708 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
709 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
710 the problem of subsequent instantiations.
711 </para>
712 <para>
713 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
714 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
715 instance declarations in the transitive closure of all the modules
716 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
717 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
718 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
719 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
720 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
721
722 </para>
723 </listitem>
724 <listitem>
725
726 <para>
727  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
728 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
729 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
730 example, these are OK:
731
732
733 <programlisting>
734   instance C Int a where ...
735
736   instance D (Int, Int) where ...
737
738   instance E [[a]] where ...
739 </programlisting>
740
741
742 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
743 For example, this is OK:
744
745
746 <programlisting>
747   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
748 </programlisting>
749
750
751 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
752 context reduction terminates: each reduction step removes one type
753 constructor.  For example, the following would make the type checker
754 loop if it wasn't excluded:
755
756
757 <programlisting>
758   instance C a => C a where ...
759 </programlisting>
760
761
762 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
763 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
764 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
765 something more specific does not:
766
767
768 <programlisting>
769   instance C a where
770     op = ... -- Default
771 </programlisting>
772
773
774 Second, sometimes you might want to use the following to get the
775 effect of a "class synonym":
776
777
778 <programlisting>
779   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
780
781   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
782 </programlisting>
783
784
785 This allows you to write shorter signatures:
786
787
788 <programlisting>
789   f :: C a => ...
790 </programlisting>
791
792
793 instead of
794
795
796 <programlisting>
797   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
798 </programlisting>
799
800
801 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
802 allowing these idioms.  The experimental flag
803 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
804 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
805 instance head to be type variables.
806
807 </para>
808 </listitem>
809 <listitem>
810
811 <para>
812  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
813 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
814 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
815
816
817 <programlisting>
818   type Point = (Int,Int)
819   instance C Point   where ...
820   instance C [Point] where ...
821 </programlisting>
822
823
824 is legal.  However, if you added
825
826
827 <programlisting>
828   instance C (Int,Int) where ...
829 </programlisting>
830
831
832 as well, then the compiler will complain about the overlapping
833 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
834 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
835
836
837 <programlisting>
838   type P a = [[a]]
839   instance Monad P where ...
840 </programlisting>
841
842
843 This design decision is independent of all the others, and easily
844 reversed, but it makes sense to me.
845
846 </para>
847 </listitem>
848 <listitem>
849
850 <para>
851 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
852 be type variables</emphasis>. Thus
853
854
855 <programlisting>
856 instance C a b => Eq (a,b) where ...
857 </programlisting>
858
859
860 is OK, but
861
862
863 <programlisting>
864 instance C Int b => Foo b where ...
865 </programlisting>
866
867
868 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
869 reduction terminates.
870
871 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
872 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
873 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
874 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
875 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
876 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
877 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
878
879 </para>
880 </listitem>
881
882 </OrderedList>
883
884 </para>
885
886 </sect3>
887
888 </sect2>
889
890 <sect2 id="implicit-parameters">
891 <title>Implicit parameters
892 </title>
893
894 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
895 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
896 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
897 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
898 Boston, Jan 2000.
899 </para>
900 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
901 <para>
902 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
903 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
904 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
905 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
906 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
907 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
908 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
909 only support static scoping of variables.
910 </para>
911 <para>
912 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
913 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
914 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
915 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
916 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
917 of type <literal>t'</literal>". For
918 example, the following expresses the type of a sort function,
919 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
920 <programlisting>
921   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
922 </programlisting>
923 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
924 </para>
925 <para>
926 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
927 where <literal>x</literal> is
928 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
929 dynamic binding constraints. For example, the following definition
930 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
931 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
932 <programlisting>
933   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
934
935   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
936   sort    = sortBy ?cmp
937 </programlisting>
938 Dynamic binding constraints behave just like other type class
939 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
940 function is used, its implicit parameters are inherited by the
941 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
942 to pick out the least value in a list:
943 <programlisting>
944   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
945   least xs = fst (sort xs)
946 </programlisting>
947 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
948 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
949 parameters, the default is that parameters must always be explicit
950 propagated. With implicit parameters, the default is to always
951 propagate them.
952 </para>
953 <para>
954 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
955 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
956 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
957 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
958 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
959 class constraints.
960 </para>
961 <para>
962 An implicit parameter is bound using the standard
963 <literal>let</literal> binding form, where the bindings must be a
964 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
965 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
966 neither polymorphic or recursive. This form binds the implicit
967 parameters arising in the body, not the free variables as a
968 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> would do. For
969 example, we define the <literal>min</literal> function by binding
970 <literal>cmp</literal>.</para>
971 <programlisting>
972   min :: [a] -> a
973   min  = let ?cmp = (<=) in least
974 </programlisting>
975 <para>
976 Note the following additional constraints:
977 <itemizedlist>
978 <listitem>
979 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
980 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
981 <programlisting>
982   class (?x::Int) => C a where ...
983   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
984 </programlisting>
985 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
986 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
987 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
988 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
989 </listitem>
990 </itemizedlist>
991 </para>
992
993 </sect2>
994
995 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
996 <title>Linear implicit parameters
997 </title>
998 <para>
999 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1000 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1001 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1002 </para>
1003 <itemizedlist>
1004 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1005 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1006 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1007 </itemizedlist>
1008
1009 <para>
1010 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1011 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1012 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1013 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1014 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1015 </para>
1016 <para>
1017 For example:
1018 <programlisting>
1019     import GHC.Exts( Splittable )
1020
1021     data NameSupply = ...
1022     
1023     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1024     newName :: NameSupply -> Name
1025
1026     instance Splittable NameSupply where
1027         split = splitNS
1028
1029
1030     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1031     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1032                     where
1033                       x'   = newName %ns
1034                       env' = extend env x x'
1035     ...more equations for f...
1036 </programlisting>
1037 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1038 <itemizedlist>
1039 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1040 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1041 </itemizedlist>
1042 </para>
1043 <para>
1044 So the translation done by the type checker makes
1045 the parameter explicit:
1046 <programlisting>
1047     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1048     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1049                        where
1050                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1051                          x' = newName ns2
1052                          env = extend env x x'
1053 </programlisting>
1054 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1055 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1056 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1057 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
1058 <programlisting>
1059         class Splittable a where
1060           split :: a -> (a,a)
1061 </programlisting>
1062 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1063 split for name supplies.  But we can simply write
1064 <programlisting>
1065         g x = (x, %ns, %ns)
1066 </programlisting>
1067 and GHC will infer
1068 <programlisting>
1069         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1070 </programlisting>
1071 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1072 <literal>GHC.Exts</literal>.
1073 </para>
1074 <para>
1075 Other points:
1076 <itemizedlist>
1077 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1078 are entirely distinct implicit parameters: you 
1079   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1080 </listitem>
1081
1082 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1083
1084 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1085   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1086 </itemizedlist>
1087 </para>
1088
1089 <sect3><title>Warnings</title>
1090
1091 <para>
1092 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1093 Consider the example above:
1094 <programlisting>
1095     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1096     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1097                     where
1098                       x'   = newName %ns
1099                       env' = extend env x x'
1100 </programlisting>
1101 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1102 usually a harmless thing to do, we get:
1103 <programlisting>
1104     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1105     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1106                     where
1107                       env' = extend env x (newName %ns)
1108 </programlisting>
1109 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1110 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1111 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1112 the beta rule.
1113 </para>
1114 <para>
1115 Well, this is an experimental change.  With implicit
1116 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1117 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1118 Haskell programs without knowing their typing.
1119 </para>
1120
1121 </sect3>
1122
1123 </sect2>
1124
1125 <sect2 id="functional-dependencies">
1126 <title>Functional dependencies
1127 </title>
1128
1129 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1130 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1131 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1132 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1133 </para>
1134
1135 <para>
1136 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1137 </para>
1138 </sect2>
1139
1140
1141 <sect2 id="universal-quantification">
1142 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1143 </title>
1144
1145 <para>
1146 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1147 allows us to say exactly what this means.  For example:
1148 </para>
1149 <para>
1150 <programlisting>
1151         g :: b -> b
1152 </programlisting>
1153 means this:
1154 <programlisting>
1155         g :: forall b. (b -> b)
1156 </programlisting>
1157 The two are treated identically.
1158 </para>
1159
1160 <para>
1161 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1162 explicit universal quantification in
1163 types. 
1164 For example, all the following types are legal:
1165 <programlisting>
1166     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1167     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1168
1169     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1170     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1171
1172     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1173 </programlisting>
1174 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1175 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1176 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1177 is implicitly added by Haskell.
1178 </para>
1179 <para>
1180 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1181 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1182 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1183 </para>
1184 <para>
1185 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1186 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1187 </para>
1188 <para>
1189 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1190 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1191 that restriction has now been lifted.)
1192 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1193 including an operational type class context, is legal:
1194 <itemizedlist>
1195 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1196 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1197 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1198 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1199 field type signatures.</para> </listitem>
1200 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1201 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1202 </itemizedlist>
1203 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1204 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1205 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1206 <programlisting>
1207     x1 :: [forall a. a->a]
1208     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1209     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1210 </programlisting>
1211 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1212 a type variable any more!
1213 </para>
1214
1215
1216 <sect3 id="univ">
1217 <title>Examples
1218 </title>
1219
1220 <para>
1221 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1222 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1223 </para>
1224
1225 <para>
1226
1227 <programlisting>
1228 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1229
1230 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1231                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1232                         }
1233
1234 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1235 </programlisting>
1236
1237 </para>
1238
1239 <para>
1240 The constructors have rank-2 types:
1241 </para>
1242
1243 <para>
1244
1245 <programlisting>
1246 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1247 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1248                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1249                   -> MonadT m
1250 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1251 </programlisting>
1252
1253 </para>
1254
1255 <para>
1256 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1257 explicit context.  For example in the first argument of the
1258 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1259 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1260 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1261 mentioned in the type quantified over.
1262 </para>
1263
1264 <para>
1265 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1266 types too.  So if you write this:
1267
1268 <programlisting>
1269   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1270 </programlisting>
1271
1272 it's just as if you had written this:
1273
1274 <programlisting>
1275   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1276 </programlisting>
1277
1278 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1279 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1280 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1281 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1282 </para>
1283
1284 <para>
1285 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1286 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1287 </para>
1288
1289 <para>
1290
1291 <programlisting>
1292     a1 :: T Int
1293     a1 = T1 (\xy->x) 3
1294     
1295     a2, a3 :: Swizzle
1296     a2 = MkSwizzle sort
1297     a3 = MkSwizzle reverse
1298     
1299     a4 :: MonadT Maybe
1300     a4 = let r x = Just x
1301              b m k = case m of
1302                        Just y -> k y
1303                        Nothing -> Nothing
1304          in
1305          MkMonad r b
1306
1307     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1308     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1309 </programlisting>
1310
1311 </para>
1312
1313 <para>
1314 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1315 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1316 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1317 </para>
1318
1319 <para>
1320 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1321 polymorphic types.  For example:
1322 </para>
1323
1324 <para>
1325
1326 <programlisting>
1327     f :: T a -> a -> (a, Char)
1328     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1329
1330     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1331     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1332
1333     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1334     h m [] = return m []
1335     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1336                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1337                  return m (y:ys)
1338 </programlisting>
1339
1340 </para>
1341
1342 <para>
1343 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1344 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1345 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1346 matching.
1347 </para>
1348 </sect3>
1349
1350 <sect3>
1351 <title>Type inference</title>
1352
1353 <para>
1354 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1355 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1356 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1357 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1358 </para>
1359 <para>
1360 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1361 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1362 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1363 </para>
1364 <para>
1365 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1366 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1367 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1368 <programlisting>
1369      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1370 </programlisting>
1371 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1372 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1373 <programlisting>
1374      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1375 </programlisting>
1376 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1377 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1378 one can give a type signature for the function itself:
1379 <programlisting>
1380      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1381      h f = (f True, f 'c')
1382 </programlisting>
1383 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1384 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1385 <programlisting>
1386     f :: T a -> a -> (a, Char)
1387     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1388 </programlisting>
1389 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1390 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1391 it needs to know.
1392 </para>
1393
1394 </sect3>
1395
1396
1397 <sect3 id="implicit-quant">
1398 <title>Implicit quantification</title>
1399
1400 <para>
1401 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1402 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1403 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1404 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1405 equivalent:
1406 <programlisting>
1407   f :: a -> a
1408   f :: forall a. a -> a
1409
1410   g (x::a) = let
1411                 h :: a -> b -> b
1412                 h x y = y
1413              in ...
1414   g (x::a) = let
1415                 h :: forall b. a -> b -> b
1416                 h x y = y
1417              in ...
1418 </programlisting>
1419 </para>
1420 <para>
1421 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1422 point.  For example:
1423 <programlisting>
1424   f :: (a -> a) -> Int
1425            -- MEANS
1426   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1427            -- NOT
1428   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1429
1430
1431   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1432            -- MEANS the illegal type
1433   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1434            -- NOT
1435   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1436 </programlisting>
1437 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1438 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1439 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1440 for rank-2 types.
1441 </para>
1442 </sect3>
1443 </sect2>
1444
1445 <sect2 id="type-synonyms">
1446 <title>Liberalised type synonyms 
1447 </title>
1448
1449 <para>
1450 Type synonmys are like macros at the type level, and
1451 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1452 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1453 <itemizedlist>
1454 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1455 in a type synonym, thus:
1456 <programlisting>
1457   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1458
1459   f :: Discard a
1460   f x y = (x, show y)
1461
1462   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1463   g f = f Int True
1464 </programlisting>
1465 </para>
1466 </listitem>
1467
1468 <listitem><para>
1469 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1470 <programlisting>
1471   type Pr = (# Int, Int #)
1472
1473   h :: Int -> Pr
1474   h x = (# x, x #)
1475 </programlisting>
1476 </para></listitem>
1477
1478 <listitem><para>
1479 You can apply a type synonym to a forall type:
1480 <programlisting>
1481   type Foo a = a -> a -> Bool
1482  
1483   f :: Foo (forall b. b->b)
1484 </programlisting>
1485 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1486 <programlisting>
1487   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1488 </programlisting>
1489 </para></listitem>
1490
1491 <listitem><para>
1492 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1493 <programlisting>
1494   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1495   type Id x = x
1496   
1497   foo :: Generic Id []
1498 </programlisting>
1499 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1500 <programlisting>
1501   foo :: forall x. x -> [x]
1502 </programlisting>
1503 </para></listitem>
1504
1505 </itemizedlist>
1506 </para>
1507
1508 <para>
1509 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1510 could be changed.)
1511 </para>
1512 <para>
1513 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1514 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1515 <itemizedlist>
1516 <listitem><para>
1517 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1518 </para></listitem>
1519 <listitem><para>
1520 Unboxed tuple on left of an arrow.
1521 </para></listitem>
1522 <listitem><para>
1523 Partially-applied type synonym.
1524 </para></listitem>
1525 </itemizedlist>
1526 So, for example,
1527 this will be rejected:
1528 <programlisting>
1529   type Pr = (# Int, Int #)
1530
1531   h :: Pr -> Int
1532   h x = ...
1533 </programlisting>
1534 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1535 </para>
1536 </sect2>
1537
1538 <sect2 id="hoist">
1539 <title>For-all hoisting</title>
1540 <para>
1541 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
1542 end of an arrow, thus:
1543 <programlisting>
1544   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1545
1546   g :: Int -> Discard Int
1547   g x y z = x+y
1548 </programlisting>
1549 Simply expanding the type synonym would give
1550 <programlisting>
1551   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1552 </programlisting>
1553 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1554 <programlisting>
1555   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1556 </programlisting>
1557 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1558 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1559 performs the transformation:</emphasis>
1560 <programlisting>
1561   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1562 ==>
1563   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1564 </programlisting>
1565 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1566 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1567 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1568 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1569 <programlisting>
1570   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1571 </programlisting>
1572 </para>
1573 <para>
1574 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
1575 example:
1576 <programlisting>
1577   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
1578   g :: Foo (Foo Int)
1579 </programlisting>
1580 means
1581 <programlisting>
1582   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
1583 </programlisting>
1584 </para>
1585 </sect2>
1586
1587
1588 <sect2 id="existential-quantification">
1589 <title>Existentially quantified data constructors
1590 </title>
1591
1592 <para>
1593 The idea of using existential quantification in data type declarations
1594 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1595 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1596 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1597 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1598 </para>
1599
1600 <para>
1601
1602 <programlisting>
1603   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1604            | Nil
1605 </programlisting>
1606
1607 </para>
1608
1609 <para>
1610 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1611 </para>
1612
1613 <para>
1614
1615 <programlisting>
1616   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1617   Nil   :: Foo
1618 </programlisting>
1619
1620 </para>
1621
1622 <para>
1623 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1624 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1625 For example, the following expression is fine:
1626 </para>
1627
1628 <para>
1629
1630 <programlisting>
1631   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1632 </programlisting>
1633
1634 </para>
1635
1636 <para>
1637 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1638 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1639 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1640 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1641 </para>
1642
1643 <para>
1644 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1645 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1646 </para>
1647
1648 <para>
1649
1650 <programlisting>
1651   f (MkFoo val fn) = ???
1652 </programlisting>
1653
1654 </para>
1655
1656 <para>
1657 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1658 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1659 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1660 </para>
1661
1662 <para>
1663
1664 <programlisting>
1665   f :: Foo -> Bool
1666   f (MkFoo val fn) = fn val
1667 </programlisting>
1668
1669 </para>
1670
1671 <para>
1672 What this allows us to do is to package heterogenous values
1673 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1674 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1675 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1676 </para>
1677
1678 <sect3 id="existential">
1679 <title>Why existential?
1680 </title>
1681
1682 <para>
1683 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1684 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1685 </para>
1686
1687 <para>
1688
1689 <programlisting>
1690   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1691 </programlisting>
1692
1693 </para>
1694
1695 <para>
1696 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1697 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1698 adding a new existential quantification construct.
1699 </para>
1700
1701 </sect3>
1702
1703 <sect3>
1704 <title>Type classes</title>
1705
1706 <para>
1707 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1708 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1709 </para>
1710
1711 <para>
1712
1713 <programlisting>
1714 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1715          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1716 </programlisting>
1717
1718 </para>
1719
1720 <para>
1721 The two constructors have the types you'd expect:
1722 </para>
1723
1724 <para>
1725
1726 <programlisting>
1727 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1728 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1729 </programlisting>
1730
1731 </para>
1732
1733 <para>
1734 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1735 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1736 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1737 So this program is legal:
1738 </para>
1739
1740 <para>
1741
1742 <programlisting>
1743   f :: Baz -> String
1744   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1745                | otherwise = "No"
1746   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1747 </programlisting>
1748
1749 </para>
1750
1751 <para>
1752 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1753 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1754 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1755 extract it on pattern matching.
1756 </para>
1757
1758 <para>
1759 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1760 universal quantification earlier.
1761 </para>
1762
1763 </sect3>
1764
1765 <sect3>
1766 <title>Restrictions</title>
1767
1768 <para>
1769 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1770 constructors can be use.
1771 </para>
1772
1773 <para>
1774
1775 <itemizedlist>
1776 <listitem>
1777
1778 <para>
1779  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1780 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1781 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1782 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1783
1784
1785 <programlisting>
1786 f1 (MkFoo a f) = a
1787 </programlisting>
1788
1789
1790 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1791 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1792 ask what type <function>f1</function> has:
1793
1794
1795 <programlisting>
1796   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1797 </programlisting>
1798
1799
1800 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1801 this:
1802
1803
1804 <programlisting>
1805   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1806 </programlisting>
1807
1808
1809 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1810
1811
1812 <programlisting>
1813   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1814 </programlisting>
1815
1816
1817 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1818 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1819 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1820
1821
1822 </para>
1823 </listitem>
1824 <listitem>
1825
1826 <para>
1827 You can't pattern-match on an existentially quantified
1828 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1829 bindings. So this is illegal:
1830
1831
1832 <programlisting>
1833   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1834 </programlisting>
1835
1836
1837 You can only pattern-match
1838 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1839 in the patterns of a function definition.
1840
1841 The reason for this restriction is really an implementation one.
1842 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1843 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1844 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1845 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1846 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1847 annoying it is.
1848
1849 </para>
1850 </listitem>
1851 <listitem>
1852
1853 <para>
1854 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1855 declarations.  So this is illegal:
1856
1857
1858 <programlisting>
1859   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1860 </programlisting>
1861
1862
1863 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
1864 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
1865 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
1866 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
1867 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
1868 overloading involved, then there is more of a case for allowing
1869 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
1870 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
1871 but single-field existentially quantified constructors aren't much
1872 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
1873 stands, unless there are convincing reasons to change it.
1874
1875
1876 </para>
1877 </listitem>
1878 <listitem>
1879
1880 <para>
1881  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1882 data type with existentially quantified data constructors.
1883
1884 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1885
1886 <programlisting>
1887 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1888 </programlisting>
1889
1890 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1891 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1892
1893 <programlisting>
1894 instance Eq T where
1895   (MkT a) == (MkT b) = ???
1896 </programlisting>
1897
1898 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1899 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1900 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1901 declarations.  Define your own instances!
1902 </para>
1903 </listitem>
1904
1905 </itemizedlist>
1906
1907 </para>
1908
1909 </sect3>
1910
1911 </sect2>
1912
1913 <sect2 id="scoped-type-variables">
1914 <title>Scoped type variables
1915 </title>
1916
1917 <para>
1918 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
1919 variable</emphasis>.  For example
1920 </para>
1921
1922 <para>
1923
1924 <programlisting>
1925 f (xs::[a]) = ys ++ ys
1926            where
1927               ys :: [a]
1928               ys = reverse xs
1929 </programlisting>
1930
1931 </para>
1932
1933 <para>
1934 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
1935 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
1936 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
1937 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
1938 </para>
1939
1940 <para>
1941  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
1942 type signatures.  The two can be used independently or together.
1943 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
1944 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
1945 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
1946 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
1947 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
1948 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
1949 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
1950 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
1951 it becomes possible to do so.
1952 </para>
1953
1954 <para>
1955 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
1956 implementations differ from the specification below, those differences
1957 are noted.
1958 </para>
1959
1960 <para>
1961 So much for the basic idea.  Here are the details.
1962 </para>
1963
1964 <sect3>
1965 <title>What a pattern type signature means</title>
1966 <para>
1967 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
1968 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
1969 of the same name mean the same type.  For example:
1970 <programlisting>
1971   f :: [Int] -> Int -> Int
1972   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
1973 </programlisting>
1974 The pattern type signatures on the left hand side of
1975 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
1976 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
1977 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
1978 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
1979 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
1980 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
1981 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
1982 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
1983 For example, all of these are legal:</para>
1984
1985 <programlisting>
1986   t (x::a) (y::a) = x+y*2
1987
1988   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
1989
1990   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
1991
1992   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
1993         in k x                  -- environment
1994
1995   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
1996   k (x::Int) False = ...
1997
1998   w :: [b] -> [b]
1999   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2000 </programlisting>
2001
2002 </sect3>
2003
2004 <sect3>
2005 <title>Scope and implicit quantification</title>
2006
2007 <para>
2008
2009 <itemizedlist>
2010 <listitem>
2011
2012 <para>
2013 All the type variables mentioned in a pattern,
2014 that are not already in scope,
2015 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2016 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2017 For example:
2018 <programlisting>
2019   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2020              in
2021              g (x,True)
2022 </programlisting>
2023 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2024 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2025 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2026 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2027 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2028 </para>
2029 </listitem>
2030
2031 <listitem>
2032 <para>
2033 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2034 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2035 <programlisting>
2036   let
2037     f (x::a) = <...rhs of f...>
2038     (p::b, q::b) = (1,2)
2039   in <...body of let...>
2040 </programlisting>
2041 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2042 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2043 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2044 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2045 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2046 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2047 </para>
2048 </listitem>
2049
2050
2051 <listitem>
2052 <para>
2053 The type variables bound by the pattern may be 
2054 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2055 type signatures anywhere within their scope.
2056
2057 </para>
2058 </listitem>
2059
2060 <listitem>
2061 <para>
2062  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2063 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2064
2065 </para>
2066 </listitem>
2067
2068 <listitem>
2069
2070 <para>
2071  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2072 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2073
2074 <programlisting>
2075   f :: a -> a
2076   f x = x::a
2077 </programlisting>
2078
2079 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2080 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2081 and that is an incorrect typing.
2082
2083 </para>
2084 </listitem>
2085
2086 <listitem>
2087 <para>
2088 The pattern type signature is a monotype:
2089 </para>
2090
2091 <itemizedlist>
2092 <listitem> <para> 
2093 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2094 </para> </listitem>
2095
2096 <listitem>  <para> 
2097 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2098 not to type schemes.
2099 </para> </listitem>
2100
2101 <listitem>  <para> 
2102 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2103 ordinary type signatures).
2104 </para> </listitem>
2105
2106 </itemizedlist>
2107
2108 </listitem>
2109
2110 <listitem>
2111 <para>
2112
2113 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2114 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2115
2116
2117 <programlisting>
2118   class C a where
2119     op :: [a] -> a
2120
2121     op xs = let ys::[a]
2122                 ys = reverse xs
2123             in
2124             head ys
2125 </programlisting>
2126
2127
2128 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2129 </para>
2130 </listitem>
2131
2132 </itemizedlist>
2133
2134 </para>
2135
2136 </sect3>
2137
2138 <sect3>
2139 <title>Result type signatures</title>
2140
2141 <para>
2142
2143 <itemizedlist>
2144 <listitem>
2145
2146 <para>
2147  The result type of a function can be given a signature,
2148 thus:
2149
2150
2151 <programlisting>
2152   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2153 </programlisting>
2154
2155
2156 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2157 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2158 you want:
2159
2160
2161 <programlisting>
2162   f :: Int -> [a] -> [a]
2163   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2164                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2165 </programlisting>
2166
2167
2168 </para>
2169 </listitem>
2170
2171 </itemizedlist>
2172
2173 </para>
2174
2175 <para>
2176 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2177 </para>
2178
2179 </sect3>
2180
2181 <sect3>
2182 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2183
2184 <para>
2185 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2186 <itemizedlist>
2187
2188 <listitem>
2189 <para>
2190 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2191 ust on a variable:
2192
2193
2194 <programlisting>
2195   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2196 </programlisting>
2197
2198
2199 </para>
2200 </listitem>
2201 <listitem>
2202
2203 <para>
2204  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2205 in lambda abstractions:
2206
2207 <programlisting>
2208   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2209 </programlisting>
2210 </para>
2211 </listitem>
2212 <listitem>
2213
2214 <para>
2215  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2216 in <literal>case</literal> expressions:
2217
2218
2219 <programlisting>
2220   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2221 </programlisting>
2222
2223 </para>
2224 </listitem>
2225
2226 <listitem>
2227 <para>
2228 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2229 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2230 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2231 consider how one would parse this:
2232
2233
2234 <programlisting>
2235   \ x :: a -> b -> x
2236 </programlisting>
2237
2238
2239 </para>
2240 </listitem>
2241
2242 <listitem>
2243
2244 <para>
2245  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2246 For example:
2247
2248
2249 <programlisting>
2250   data T = forall a. MkT [a]
2251
2252   f :: T -> T
2253   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2254                  where
2255                    t3::[a] = [t,t,t]
2256 </programlisting>
2257
2258
2259 </para>
2260 </listitem>
2261
2262
2263 <listitem>
2264
2265 <para>
2266 Pattern type signatures 
2267 can be used in pattern bindings:
2268
2269 <programlisting>
2270   f x = let (y, z::a) = x in ...
2271   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2272   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2273   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2274 </programlisting>
2275
2276 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2277 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2278 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2279 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2280 In contrast, the binding
2281 <programlisting>
2282   f4 :: b->b
2283   f4 = \x -> x
2284 </programlisting>
2285 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2286 in <literal>f4</literal>'s scope.
2287
2288 </para>
2289 </listitem>
2290 </itemizedlist>
2291 </para>
2292
2293 </sect3>
2294 </sect2>
2295
2296
2297 </sect1>
2298 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
2299   
2300
2301 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
2302
2303 <sect1 id="sec-assertions">
2304 <title>Assertions
2305 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2306 </title>
2307
2308 <para>
2309 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2310 could define a function like the following:
2311 </para>
2312
2313 <para>
2314
2315 <programlisting>
2316 assert :: Bool -> a -> a
2317 assert False x = error "assertion failed!"
2318 assert _     x = x
2319 </programlisting>
2320
2321 </para>
2322
2323 <para>
2324 which works, but gives you back a less than useful error message --
2325 an assertion failed, but which and where?
2326 </para>
2327
2328 <para>
2329 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2330 takes a descriptive string to include in the error message and
2331 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2332 the source location where <function>assert</function> was used.
2333 </para>
2334
2335 <para>
2336 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2337 use of <function>assert</function> in the user's source:
2338 </para>
2339
2340 <para>
2341
2342 <programlisting>
2343 kelvinToC :: Double -> Double
2344 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2345 </programlisting>
2346
2347 </para>
2348
2349 <para>
2350 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2351 assertion was made,
2352 </para>
2353
2354 <para>
2355
2356 <programlisting>
2357 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2358 </programlisting>
2359
2360 </para>
2361
2362 <para>
2363 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2364 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
2365 can still define and use your own versions of
2366 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
2367 <literal>Control.Exception</literal> to make use
2368 <function>assert</function> in your code.
2369 </para>
2370
2371 <para>
2372 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2373 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
2374 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
2375 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
2376 <literal>e</literal>.
2377 </para>
2378
2379 <para>
2380 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2381 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
2382 </para>
2383
2384 </sect1>
2385
2386
2387 <sect1 id="syntax-extns">
2388 <title>Syntactic extensions</title>
2389
2390 <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
2391
2392     <sect2 id="hierarchical-modules">
2393       <title>Hierarchical Modules</title>
2394
2395       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
2396       names: a module name is allowed to contain a dot
2397       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
2398       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
2399       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
2400       more flexible hierarchy of modules.</para>
2401
2402       <para>This extension has very little impact on the language
2403       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
2404       qualified, so you can just think of the fully qualified module
2405       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
2406       means that the full module name must be given after the
2407       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
2408       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
2409       begin</para>
2410
2411 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
2412
2413
2414       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
2415       keyword to save some typing when using qualified names with
2416       hierarchical modules.  For example:</para>
2417
2418 <programlisting>
2419 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
2420 </programlisting>
2421
2422       <para>Hierarchical modules have an impact on the way that GHC
2423       searches for files.  For a description, see <xref
2424       linkend="finding-hierarchical-modules">.</para>
2425
2426       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
2427       hierarchically; see the accompanying library documentation.
2428       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
2429       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
2430       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
2431       current status of that project.  For more details, see <ulink
2432       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
2433       Libraries</ulink>.</para>
2434
2435     </sect2>
2436
2437 <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
2438
2439 <sect2 id="pattern-guards">
2440 <title>Pattern guards</title>
2441
2442 <para>
2443 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
2444 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.)
2445 </para>
2446
2447 <para>
2448 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
2449 lookup operation:
2450
2451 <programlisting>
2452 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
2453 </programlisting>
2454
2455 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
2456 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
2457 </para>
2458
2459 <programlisting>
2460 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
2461 | otherwise  = var1 + var2
2462 where
2463   m1 = lookup env var1
2464   m2 = lookup env var2
2465   ok1 = maybeToBool m1
2466   ok2 = maybeToBool m2
2467   val1 = expectJust m1
2468   val2 = expectJust m2
2469 </programlisting>
2470
2471 <para>
2472 The auxiliary functions are 
2473 </para>
2474
2475 <programlisting>
2476 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
2477 maybeToBool (Just x) = True
2478 maybeToBool Nothing  = False
2479
2480 expectJust :: Maybe a -&gt; a
2481 expectJust (Just x) = x
2482 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
2483 </programlisting>
2484
2485 <para>
2486 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
2487 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
2488 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
2489 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
2490 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
2491 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
2492 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
2493 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
2494 </para>
2495
2496 <para>
2497 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
2498 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
2499 to write clunky would be to use case expressions:
2500 </para>
2501
2502 <programlisting>
2503 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
2504   Nothing -&gt; fail
2505   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
2506     Nothing -&gt; fail
2507     Just val2 -&gt; val1 + val2
2508 where
2509   fail = val1 + val2
2510 </programlisting>
2511
2512 <para>
2513 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
2514 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
2515 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
2516 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
2517 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
2518 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
2519 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
2520 tends to become more and more indented. 
2521 </para>
2522
2523 <para>
2524 Here is how I would write clunky:
2525 </para>
2526
2527 <programlisting>
2528 clunky env var1 var1
2529   | Just val1 &lt;- lookup env var1
2530   , Just val2 &lt;- lookup env var2
2531   = val1 + val2
2532 ...other equations for clunky...
2533 </programlisting>
2534
2535 <para>
2536 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
2537 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
2538 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
2539 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
2540 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
2541 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
2542 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
2543 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
2544 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
2545 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
2546 </para>
2547
2548 <para>
2549 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
2550 with among the pattern guards.  For example:
2551 </para>
2552
2553 <programlisting>
2554 f x | [y] <- x
2555     , y > 3
2556     , Just z <- h y
2557     = ...
2558 </programlisting>
2559
2560 <para>
2561 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
2562 qualifier list has just one element, a boolean expression.
2563 </para>
2564 </sect2>
2565
2566 <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
2567
2568   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
2569     <title>Parallel List Comprehensions</title>
2570     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
2571     </indexterm>
2572     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
2573     </indexterm>
2574
2575     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
2576     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
2577     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
2578     extend this to include the zipWith family.</para>
2579
2580     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
2581     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
2582     example, the following zips together two lists:</para>
2583
2584 <programlisting>
2585    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
2586 </programlisting>
2587
2588     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
2589     zip, in that the resulting list will have the same length as the
2590     shortest branch.</para>
2591
2592     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
2593     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
2594
2595     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
2596
2597 <programlisting>
2598    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
2599        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
2600        ... 
2601    ] 
2602 </programlisting>
2603
2604     <para>This will be translated to: </para>
2605
2606 <programlisting>
2607    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
2608                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
2609                                          ... 
2610    ] 
2611 </programlisting>
2612
2613     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
2614     branches.</para>
2615
2616   </sect2>
2617
2618 <sect2 id="rebindable-syntax">
2619 <title>Rebindable syntax</title>
2620
2621
2622       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
2623       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
2624       with a home-grown version, for example.</para>
2625
2626             <para>You may want to define your own numeric class
2627             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
2628             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
2629             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
2630             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
2631             the following pieces of built-in syntax to refer to
2632             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
2633             versions:</para>
2634
2635             <itemizedlist>
2636               <listitem>
2637                 <para>Integer and fractional literals mean
2638                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
2639                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
2640                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
2641                 patterns. </para>
2642                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
2643                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
2644               </listitem>
2645
2646               <listitem>
2647                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
2648                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
2649                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
2650               </listitem>
2651
2652               <listitem>
2653                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
2654                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
2655                 but the necessary subtraction uses whatever
2656                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
2657                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
2658               </listitem>
2659
2660               <listitem>
2661           <para>"Do" notation is translated using whatever
2662               functions <literal>(>>=)</literal>,
2663               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
2664               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
2665               versions).  List comprehensions, and parallel array
2666               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
2667             </itemizedlist>
2668
2669              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
2670              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
2671              must have the appropriate types, namely:
2672              <screen>
2673                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
2674                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
2675                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
2676                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
2677                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
2678                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
2679                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
2680                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
2681              </screen>
2682              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
2683              is up to you.)
2684              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
2685              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
2686              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
2687
2688 </sect2>
2689 </sect1>
2690
2691 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
2692
2693   <sect1 id="pragmas">
2694     <title>Pragmas</title>
2695
2696     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2697
2698     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2699     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2700     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2701     of the generated code.</para>
2702
2703     <para>Pragmas all take the form
2704
2705 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2706
2707     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2708     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2709     type of pragma.  Case is ignored in
2710     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2711     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2712     in the following sections; any pragma encountered with an
2713     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2714     ignored.</para>
2715
2716 <sect2 id="inline-pragma">
2717 <title>INLINE pragma
2718
2719 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2720 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2721
2722 <para>
2723 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2724 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2725 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2726 </para>
2727
2728 <para>
2729 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2730 interface files.
2731 </para>
2732
2733 <para>
2734 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2735 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2736 use.
2737 </para>
2738
2739 <para>
2740 The sledgehammer you can bring to bear is the
2741 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2742
2743 <programlisting>
2744 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2745
2746 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2747 {-# INLINE key_function #-}
2748 #endif
2749 </programlisting>
2750
2751 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2752 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2753 </para>
2754
2755 <para>
2756 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2757 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2758 very keen to inline it.
2759 </para>
2760
2761 <para>
2762 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2763 signature could be put.
2764 </para>
2765
2766 <para>
2767 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2768 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2769 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2770
2771 <programlisting>
2772 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2773 {-# INLINE thenUs #-}
2774 {-# INLINE returnUs #-}
2775 #endif
2776 </programlisting>
2777
2778 </para>
2779
2780 </sect2>
2781
2782 <sect2 id="noinline-pragma">
2783 <title>NOINLINE pragma
2784 </title>
2785
2786 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2787 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2788 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2789 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2790
2791 <para>
2792 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2793 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2794 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2795 size.
2796 </para>
2797
2798 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2799 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2800 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2801 used if you want your code to be portable).</para>
2802
2803 </sect2>
2804
2805     <sect2 id="specialize-pragma">
2806       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2807
2808       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2809       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2810       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2811
2812       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2813       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2814       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2815       overloaded function:</para>
2816
2817 <programlisting>
2818 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2819 </programlisting>
2820
2821       <para>If it is heavily used on lists with
2822       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2823       follows:</para>
2824
2825 <programlisting>
2826 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2827 </programlisting>
2828
2829       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2830       to use for the specialised value, as in:</para>
2831
2832 <programlisting>
2833 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2834 </programlisting>
2835
2836       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2837       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2838       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2839       Responsibility</emphasis> to make sure that
2840       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2841       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2842
2843       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2844       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2845       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2846       <xref linkend="rules"> for more information on
2847       <literal>RULES</literal>.</para>
2848
2849       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2850       specialisation will Win Big:
2851
2852 <programlisting>
2853 toDouble :: Real a => a -> Double
2854 toDouble = fromRational . toRational
2855
2856 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2857 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2858 </programlisting>
2859
2860       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2861       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2862       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2863       comparison.</para>
2864
2865       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2866       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2867
2868     </sect2>
2869
2870 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2871 <title>SPECIALIZE instance pragma
2872 </title>
2873
2874 <para>
2875 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2876 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2877 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2878
2879 <programlisting>
2880 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2881    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2882    ... usual stuff ...
2883  }
2884 </programlisting>
2885 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2886 of the instance declaration.
2887 </para>
2888 <para>
2889 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2890 of the pragma.
2891 </para>
2892
2893 </sect2>
2894
2895 <sect2 id="line-pragma">
2896 <title>LINE pragma
2897 </title>
2898
2899 <para>
2900 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2901 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2902 </para>
2903
2904 <para>
2905 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2906 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2907 number and filename of the original code; for example
2908 </para>
2909
2910 <para>
2911
2912 <programlisting>
2913 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2914 </programlisting>
2915
2916 </para>
2917
2918 <para>
2919 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2920 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2921 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2922 pragma.
2923 </para>
2924
2925 </sect2>
2926
2927 <sect2 id="rules">
2928 <title>RULES pragma</title>
2929
2930 <para>
2931 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2932 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2933 </para>
2934
2935 </sect2>
2936
2937 <sect2 id="deprecated-pragma">
2938 <title>DEPRECATED pragma</title>
2939
2940 <para>
2941 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2942 There are two forms.  
2943 </para>
2944 <itemizedlist>
2945 <listitem><para>
2946 You can deprecate an entire module thus:</para>
2947 <programlisting>
2948    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2949      ...
2950 </programlisting>
2951 <para>
2952 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2953 the specified message.</para>
2954 </listitem>
2955
2956 <listitem>
2957 <para>
2958 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2959 </para>
2960 <programlisting>
2961    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2962 </programlisting>
2963 <para>
2964 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2965 GHC will print the specified message.
2966 </para>
2967 </listitem>
2968 </itemizedlist>
2969 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2970
2971 </sect2>
2972
2973 </sect1>
2974
2975 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
2976
2977 <sect1 id="rewrite-rules">
2978 <title>Rewrite rules
2979
2980 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2981 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2982 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2983
2984 <para>
2985 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2986 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2987 </para>
2988
2989 <para>
2990 Here is an example:
2991
2992 <programlisting>
2993   {-# RULES
2994         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2995   #-}
2996 </programlisting>
2997
2998 </para>
2999
3000 <sect2>
3001 <title>Syntax</title>
3002
3003 <para>
3004 From a syntactic point of view:
3005
3006 <itemizedlist>
3007 <listitem>
3008
3009 <para>
3010  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
3011 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
3012 </para>
3013 </listitem>
3014 <listitem>
3015
3016 <para>
3017  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3018 </para>
3019 </listitem>
3020 <listitem>
3021
3022 <para>
3023  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3024 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3025 enclosing definitions.
3026 </para>
3027 </listitem>
3028 <listitem>
3029
3030 <para>
3031  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3032 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3033 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3034 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3035 </para>
3036 </listitem>
3037 <listitem>
3038
3039 <para>
3040  A pattern variable may optionally have a type signature.
3041 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3042 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3043
3044 <programlisting>
3045 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3046               foldr k z (build g) = g k z
3047 </programlisting>
3048
3049 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3050
3051 </para>
3052 </listitem>
3053 <listitem>
3054
3055 <para>
3056 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3057 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3058
3059 <programlisting>
3060 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3061 "wrong2"   forall f.      f True = True
3062 </programlisting>
3063
3064 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3065 in the head.
3066 </para>
3067 </listitem>
3068 <listitem>
3069
3070 <para>
3071  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3072 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3073 </para>
3074 </listitem>
3075 <listitem>
3076
3077 <para>
3078  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3079 </para>
3080 </listitem>
3081
3082 </itemizedlist>
3083
3084 </para>
3085
3086 </sect2>
3087
3088 <sect2>
3089 <title>Semantics</title>
3090
3091 <para>
3092 From a semantic point of view:
3093
3094 <itemizedlist>
3095 <listitem>
3096
3097 <para>
3098 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3099 </para>
3100 </listitem>
3101
3102 <listitem>
3103 <para>
3104  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3105 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3106 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3107 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3108 expression by substituting for the pattern variables.
3109
3110 </para>
3111 </listitem>
3112 <listitem>
3113
3114 <para>
3115  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3116 same type.
3117
3118 </para>
3119 </listitem>
3120 <listitem>
3121
3122 <para>
3123  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3124 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3125 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3126
3127 </para>
3128 </listitem>
3129 <listitem>
3130
3131 <para>
3132  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3133 terminating.  For example:
3134
3135 <programlisting>
3136   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3137 </programlisting>
3138
3139 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3140
3141 </para>
3142 </listitem>
3143 <listitem>
3144
3145 <para>
3146  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3147
3148 </para>
3149 </listitem>
3150 <listitem>
3151 <para>
3152  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3153 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3154 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3155 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3156 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3157 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3158 </para>
3159
3160 <para>
3161 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3162 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3163 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3164 </para>
3165 </listitem>
3166 <listitem>
3167
3168 <para>
3169  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3170 For example, consider:
3171
3172 <programlisting>
3173   let s = map f
3174       t = map g
3175   in
3176   s (t xs)
3177 </programlisting>
3178
3179 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3180 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3181 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3182 not be substituted, and the rule would not fire.
3183
3184 </para>
3185 </listitem>
3186 <listitem>
3187
3188 <para>
3189  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3190 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3191 for something you can't match against it (given the simple minded
3192 matching).  So if you write the rule
3193
3194 <programlisting>
3195         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3196 </programlisting>
3197
3198 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3199 It will only match something written with explicit use of ".".
3200 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3201
3202 <programlisting>
3203 wibble f g xs
3204 </programlisting>
3205
3206 where <function>wibble</function> is defined:
3207
3208 <programlisting>
3209 wibble f g = map f . map g
3210 </programlisting>
3211
3212 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3213
3214 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3215 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3216 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3217
3218 </para>
3219 </listitem>
3220 <listitem>
3221
3222 <para>
3223  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3224 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3225 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3226 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3227 declarations.
3228 </para>
3229 </listitem>
3230
3231 </itemizedlist>
3232
3233 </para>
3234
3235 </sect2>
3236
3237 <sect2>
3238 <title>List fusion</title>
3239
3240 <para>
3241 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3242 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3243 intermediate list should be eliminated entirely.
3244 </para>
3245
3246 <para>
3247 The following are good producers:
3248
3249 <itemizedlist>
3250 <listitem>
3251
3252 <para>
3253  List comprehensions
3254 </para>
3255 </listitem>
3256 <listitem>
3257
3258 <para>
3259  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3260 </para>
3261 </listitem>
3262 <listitem>
3263
3264 <para>
3265  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3266 </para>
3267 </listitem>
3268 <listitem>
3269
3270 <para>
3271  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3272 </para>
3273 </listitem>
3274 <listitem>
3275
3276 <para>
3277  <function>++</function>
3278 </para>
3279 </listitem>
3280
3281 <listitem>
3282 <para>
3283  <function>map</function>
3284 </para>
3285 </listitem>
3286
3287 <listitem>
3288 <para>
3289  <function>filter</function>
3290 </para>
3291 </listitem>
3292 <listitem>
3293
3294 <para>
3295  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3296 </para>
3297 </listitem>
3298 <listitem>
3299
3300 <para>
3301  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3302 </para>
3303 </listitem>
3304
3305 </itemizedlist>
3306
3307 </para>
3308
3309 <para>
3310 The following are good consumers:
3311
3312 <itemizedlist>
3313 <listitem>
3314
3315 <para>
3316  List comprehensions
3317 </para>
3318 </listitem>
3319 <listitem>
3320
3321 <para>
3322  <function>array</function> (on its second argument)
3323 </para>
3324 </listitem>
3325 <listitem>
3326
3327 <para>
3328  <function>length</function>
3329 </para>
3330 </listitem>
3331 <listitem>
3332
3333 <para>
3334  <function>++</function> (on its first argument)
3335 </para>
3336 </listitem>
3337
3338 <listitem>
3339 <para>
3340  <function>foldr</function>
3341 </para>
3342 </listitem>
3343
3344 <listitem>
3345 <para>
3346  <function>map</function>
3347 </para>
3348 </listitem>
3349 <listitem>
3350
3351 <para>
3352  <function>filter</function>
3353 </para>
3354 </listitem>
3355 <listitem>
3356
3357 <para>
3358  <function>concat</function>
3359 </para>
3360 </listitem>
3361 <listitem>
3362
3363 <para>
3364  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3365 </para>
3366 </listitem>
3367 <listitem>
3368
3369 <para>
3370  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3371 will fuse with one but not the other)
3372 </para>
3373 </listitem>
3374 <listitem>
3375
3376 <para>
3377  <function>partition</function>
3378 </para>
3379 </listitem>
3380 <listitem>
3381
3382 <para>
3383  <function>head</function>
3384 </para>
3385 </listitem>
3386 <listitem>
3387
3388 <para>
3389  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3390 </para>
3391 </listitem>
3392 <listitem>
3393
3394 <para>
3395  <function>sequence&lowbar;</function>
3396 </para>
3397 </listitem>
3398 <listitem>
3399
3400 <para>
3401  <function>msum</function>
3402 </para>
3403 </listitem>
3404 <listitem>
3405
3406 <para>
3407  <function>sortBy</function>
3408 </para>
3409 </listitem>
3410
3411 </itemizedlist>
3412
3413 </para>
3414
3415 <para>
3416 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3417
3418 <programlisting>
3419 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3420 </programlisting>
3421
3422 </para>
3423
3424 <para>
3425 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3426 a lot which are not included, please tell us.
3427 </para>
3428
3429 <para>
3430 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3431 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3432 </para>
3433
3434 </sect2>
3435
3436 <sect2 id="rule-spec">
3437 <title>Specialisation
3438 </title>
3439
3440 <para>
3441 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3442 present in earlier version of GHC:
3443
3444 <programlisting>
3445   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3446 </programlisting>
3447
3448 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3449 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3450 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3451 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3452 </para>
3453
3454 <para>
3455 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3456 same thing:
3457
3458 <programlisting>
3459 {-# RULES
3460   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3461 #-}
3462 </programlisting>
3463
3464 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3465 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3466 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3467
3468 <programlisting>
3469 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3470         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3471 </programlisting>
3472
3473 What is more,
3474 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3475 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3476 have an original definition available to specialise).
3477 </para>
3478
3479 </sect2>
3480
3481 <sect2>
3482 <title>Controlling what's going on</title>
3483
3484 <para>
3485
3486 <itemizedlist>
3487 <listitem>
3488
3489 <para>
3490  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3491 </para>
3492 </listitem>
3493 <listitem>
3494
3495 <para>
3496  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3497 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3498 </para>
3499 </listitem>
3500 <listitem>
3501
3502 <para>
3503  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3504
3505 <programlisting>
3506         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3507         {-# INLINE build #-}
3508         build g = g (:) []
3509 </programlisting>
3510
3511 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3512 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3513 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3514 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3515
3516 </para>
3517 </listitem>
3518 <listitem>
3519
3520 <para>
3521  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3522 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3523 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3524 </para>
3525 </listitem>
3526
3527 </itemizedlist>
3528
3529 </para>
3530
3531 </sect2>
3532
3533 </sect1>
3534
3535 <sect1 id="generic-classes">
3536 <title>Generic classes</title>
3537
3538     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3539     GHC 5.02).</para>
3540
3541 <para>
3542 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3543 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3544 An example will give the idea:
3545 </para>
3546
3547 <programlisting>
3548   import Generics
3549
3550   class Bin a where
3551     toBin   :: a -> [Int]
3552     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3553   
3554     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3555     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3556     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3557     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3558   
3559     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3560     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3561     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3562     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3563                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3564 </programlisting>
3565 <para>
3566 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3567 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3568 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3569 </para>
3570 <programlisting>
3571   data Unit    = Unit
3572   data a :+: b = Inl a | Inr b
3573   data a :*: b = a :*: b
3574 </programlisting>
3575 <para>
3576 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3577 <programlisting>
3578   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3579   instance Bin a => Bin [a]
3580 </programlisting>
3581 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3582 where clause and over-ride whichever methods you please.
3583 </para>
3584
3585     <sect2>
3586       <title> Using generics </title>
3587       <para>To use generics you need to</para>
3588       <itemizedlist>
3589         <listitem>
3590           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3591                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3592                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3593                 available.  </para>
3594         </listitem>
3595         <listitem>
3596           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3597           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3598           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3599           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3600           don't need this import if you don't mention these types
3601           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3602           declarations.)</para>
3603         </listitem>
3604       </itemizedlist>
3605     </sect2>
3606
3607 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3608 <para>
3609 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3610 can be written infix (indeed, you can now use
3611 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3612 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3613 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3614 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3615 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3616 anticipate wanting).
3617 </para>
3618 </sect2>
3619
3620 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3621 <para>
3622 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3623 is one that is defined using type patterns as above.
3624 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3625 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3626 generic default method.
3627 </para>
3628
3629 <para>
3630 Restrictions:
3631 <itemizedlist>
3632 <listitem>
3633 <para>
3634 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3635 field labels.
3636 </para>
3637 </listitem>
3638
3639 <listitem>
3640 <para>
3641 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3642 multi-parameter class.
3643 </para>
3644 </listitem>
3645
3646 <listitem>
3647 <para>
3648 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3649 without.  So this is illegal:
3650 <programlisting>
3651   class Foo a where
3652     op :: a -> (a, Bool)
3653     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3654     op x               = (x,    False)
3655 </programlisting>
3656 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3657 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3658 </para>
3659 </listitem>
3660
3661 <listitem>
3662 <para>
3663 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3664 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:
3665 <programlisting>
3666   class Foo a where
3667     op :: a -> Bool
3668     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3669     ...
3670 </programlisting>
3671 </para>
3672 </listitem>
3673
3674 <listitem>
3675 <para>
3676 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3677 <programlisting>
3678        a :+: b
3679        a :*: b
3680        Unit
3681 </programlisting>
3682 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3683 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3684 must use the same type variables.  So this is illegal:
3685 <programlisting>
3686   class Foo a where
3687     op :: a -> Bool
3688     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3689     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3690 </programlisting>
3691 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3692 So this too is illegal:
3693 <programlisting>
3694   class Foo a where
3695     op1 :: a -> Bool
3696     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3697
3698     op2 :: a -> Bool
3699     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3700 </programlisting>
3701 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3702 into a single generic instance declaration.)
3703 </para>
3704 </listitem>
3705
3706 <listitem>
3707 <para>
3708 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3709 </para>
3710 </listitem>
3711
3712 <listitem>
3713 <para>
3714 The type for a generic method can be built only from:
3715   <itemizedlist>
3716   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3717   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3718   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3719   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3720   </itemizedlist>
3721 Here are some example type signatures for generic methods:
3722 <programlisting>
3723     op1 :: a -> Bool
3724     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3725     op3 :: [Int] -> a -> a
3726     op4 :: [a] -> Bool
3727 </programlisting>
3728 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3729 inside a list.  
3730 </para>
3731 <para>
3732 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3733 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3734 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3735 to the ones that are allowed.</para>
3736 </listitem>
3737
3738 <listitem>
3739 <para>
3740 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3741 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3742 do so if
3743   <itemizedlist>
3744   <listitem>
3745   <para>
3746   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3747   </para>
3748   </listitem>
3749   <listitem>
3750   <para>
3751   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3752   </para>
3753   </listitem>
3754   </itemizedlist>
3755 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3756 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3757 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3758 </para>
3759 </listitem>
3760
3761 </itemizedlist>
3762 </para>
3763
3764 <para>
3765 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3766 what the compiler does with generic declarations.
3767 </para>
3768
3769 </sect2>
3770
3771 <sect2> <title> Another example </title>
3772 <para>
3773 Just to finish with, here's another example I rather like:
3774 <programlisting>
3775   class Tag a where
3776     nCons :: a -> Int
3777     nCons {| Unit |}    _ = 1
3778     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3779     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3780   
3781     tag :: a -> Int
3782     tag {| Unit |}    _       = 1
3783     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3784     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3785     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3786 </programlisting>
3787 </para>
3788 </sect2>
3789 </sect1>
3790
3791 <sect1 id="newtype-deriving">
3792 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3793
3794 <para>
3795 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3796 the new type to inherit some instances from its representation. In
3797 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3798 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3799 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3800 example, if you define
3801
3802 <programlisting> 
3803   newtype Dollars = Dollars Int 
3804 </programlisting> 
3805
3806 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3807 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3808
3809 <programlisting> 
3810   instance Num Dollars where
3811     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3812     ...
3813 </programlisting>
3814 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3815 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3816 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3817 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3818 dictionary, only slower!
3819 </para>
3820
3821 <sect2> <title> Generalising the deriving clause </title>
3822 <para>
3823 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3824 <programlisting> 
3825   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3826 </programlisting> 
3827
3828 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3829 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3830 derives an instance declaration of the form
3831
3832 <programlisting> 
3833   instance Num Int => Num Dollars
3834 </programlisting> 
3835
3836 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3837 </para>
3838 <para>
3839
3840 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3841 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3842 transformers, such that
3843
3844 <programlisting> 
3845   instance Monad m => Monad (State s m) 
3846   instance Monad m => Monad (Failure m)
3847 </programlisting> 
3848 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3849 <programlisting> 
3850   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3851 </programlisting> 
3852
3853 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3854 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3855 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3856
3857 <programlisting> 
3858   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3859                          deriving Monad
3860 </programlisting>
3861 In this case the derived instance declaration is of the form 
3862 <programlisting> 
3863   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3864 </programlisting> 
3865
3866 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3867 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3868 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3869 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3870 declaration.
3871 </para>
3872 <para>
3873
3874 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3875 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3876 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3877 clause. For example, given the class
3878
3879 <programlisting> 
3880   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3881   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3882 </programlisting> 
3883 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3884 <programlisting> 
3885   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3886                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3887 </programlisting>
3888
3889 The derived instance is obtained by completing the application of the
3890 class to the new type:
3891
3892 <programlisting> 
3893   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3894            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3895 </programlisting>
3896 </para>
3897 <para>
3898
3899 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3900 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3901 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3902 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3903 the newtype and its representation.
3904 </para>
3905 </sect2>
3906
3907 <sect2> <title> A more precise specification </title>
3908 <para>
3909 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3910 declaration (after expansion of any type synonyms)
3911
3912 <programlisting> 
3913   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3914 </programlisting> 
3915
3916 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3917 types,
3918 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3919 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3920 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3921 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3922
3923 <programlisting> 
3924   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3925 </programlisting>
3926 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3927 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3928 </para>
3929 <para>
3930
3931 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3932 <programlisting> 
3933   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3934 </programlisting> 
3935 Here we cannot derive the instance 
3936 <programlisting> 
3937   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3938 </programlisting> 
3939
3940 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3941 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3942 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3943 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3944 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3945 </para>
3946 <para>
3947
3948 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3949 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3950 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3951
3952 <programlisting> 
3953   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3954 </programlisting>
3955
3956 then we would not have been able to derive an instance for the
3957 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3958 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3959 instances is most interesting.
3960 </para>
3961 </sect2>
3962 </sect1>
3963
3964
3965
3966 <!-- Emacs stuff:
3967      ;;; Local Variables: ***
3968      ;;; mode: sgml ***
3969      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3970      ;;; End: ***
3971  -->