[project @ 2002-10-15 08:56:50 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 <sect1 id="primitives">
157   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
158
159 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
160 While you really can use this stuff to write fast code,
161   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
162   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
163   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
164   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
165   about it.</para>
166
167 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
168 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
169 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
170 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
171
172 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
173 work over those types, is held in the file
174 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt</filename>.
175 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
176 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
177
178 <para> Indeed,
179 the result of such processing is part of the description of the 
180  <ulink
181       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
182          Core language</ulink>.
183 So that document is a good place to look for a type-set version.
184 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
185 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
186 we could include the results here in the User Guide.</para>
187
188 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
189   
190 <sect2 id="glasgow-unboxed">
191 <title>Unboxed types
192 </title>
193
194 <para>
195 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
196 </para>
197
198 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
199 that values of that type are represented by a pointer to a heap
200 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
201 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
202 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
203 allocation are involved.
204 </para>
205
206 <para>
207 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
208 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
209 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
210 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
211 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
212 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
213 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
214 know and love&mdash;usually one instruction.
215 </para>
216
217 <para>
218 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
219 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
220 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
221 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
222 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
223 </para>
224
225 <para>
226 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
227 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
228 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
229 a primitive value might be represented by a pointer to a
230 heap-allocated object.  Examples include
231 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
232 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
233 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
234 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
235 represents a primitive value, then it really does point to that value:
236 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
237 other end of the pointer than the primitive value.
238 </para>
239
240 <para>
241 There are some restrictions on the use of primitive types, the main
242 one being that you can't pass a primitive value to a polymorphic
243 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
244 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
245 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
246 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
247 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
248 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
249 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
250 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
251 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
252 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
253 </para>
254
255 <para>
256 Nevertheless, A numerically-intensive program using unboxed types can
257 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
258 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
259 </para>
260
261 </sect2>
262
263 <sect2 id="unboxed-tuples">
264 <title>Unboxed Tuples
265 </title>
266
267 <para>
268 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
269 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
270 unboxed tuple looks like this:
271 </para>
272
273 <para>
274
275 <programlisting>
276 (# e_1, ..., e_n #)
277 </programlisting>
278
279 </para>
280
281 <para>
282 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
283 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
284 the same.
285 </para>
286
287 <para>
288 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
289 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
290 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
291 components are put directly into registers or on the stack; the
292 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
293 of the primitive operations listed in this section return unboxed
294 tuples.
295 </para>
296
297 <para>
298 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
299 </para>
300
301 <para>
302
303 <itemizedlist>
304 <listitem>
305
306 <para>
307  Unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
308 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
309 structures or passed to polymorphic functions.
310
311 </para>
312 </listitem>
313 <listitem>
314
315 <para>
316  Unboxed tuples may only be constructed as the direct result of
317 a function, and may only be deconstructed with a <literal>case</literal> expression.
318 eg. the following are valid:
319
320
321 <programlisting>
322 f x y = (# x+1, y-1 #)
323 g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
324 </programlisting>
325
326
327 but the following are invalid:
328
329
330 <programlisting>
331 f x y = g (# x, y #)
332 g (# x, y #) = x + y
333 </programlisting>
334
335
336 </para>
337 </listitem>
338 <listitem>
339
340 <para>
341  No variable can have an unboxed tuple type.  This is illegal:
342
343
344 <programlisting>
345 f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
346 f x = x
347 </programlisting>
348
349
350 because <literal>x</literal> has an unboxed tuple type.
351
352 </para>
353 </listitem>
354
355 </itemizedlist>
356
357 </para>
358
359 <para>
360 Note: we may relax some of these restrictions in the future.
361 </para>
362
363 <para>
364 The <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
365 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
366 </para>
367
368 </sect2>
369 </sect1>
370
371
372 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
373
374 <sect1 id="syntax-extns">
375 <title>Syntactic extensions</title>
376  
377     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
378
379     <sect2 id="hierarchical-modules">
380       <title>Hierarchical Modules</title>
381
382       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
383       names: a module name is allowed to contain a dot
384       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
385       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
386       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
387       more flexible hierarchy of modules.</para>
388
389       <para>This extension has very little impact on the language
390       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
391       qualified, so you can just think of the fully qualified module
392       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
393       means that the full module name must be given after the
394       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
395       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
396       begin</para>
397
398 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
399
400
401       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
402       keyword to save some typing when using qualified names with
403       hierarchical modules.  For example:</para>
404
405 <programlisting>
406 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
407 </programlisting>
408
409       <para>Hierarchical modules have an impact on the way that GHC
410       searches for files.  For a description, see <xref
411       linkend="finding-hierarchical-modules">.</para>
412
413       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
414       hierarchically; see the accompanying library documentation.
415       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
416       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
417       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
418       current status of that project.  For more details, see <ulink
419       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
420       Libraries</ulink>.</para>
421
422     </sect2>
423
424     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
425
426 <sect2 id="pattern-guards">
427 <title>Pattern guards</title>
428
429 <para>
430 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
431 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.)
432 </para>
433
434 <para>
435 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
436 lookup operation:
437
438 <programlisting>
439 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
440 </programlisting>
441
442 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
443 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
444 </para>
445
446 <programlisting>
447 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
448 | otherwise  = var1 + var2
449 where
450   m1 = lookup env var1
451   m2 = lookup env var2
452   ok1 = maybeToBool m1
453   ok2 = maybeToBool m2
454   val1 = expectJust m1
455   val2 = expectJust m2
456 </programlisting>
457
458 <para>
459 The auxiliary functions are 
460 </para>
461
462 <programlisting>
463 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
464 maybeToBool (Just x) = True
465 maybeToBool Nothing  = False
466
467 expectJust :: Maybe a -&gt; a
468 expectJust (Just x) = x
469 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
470 </programlisting>
471
472 <para>
473 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
474 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
475 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
476 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
477 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
478 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
479 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
480 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
481 </para>
482
483 <para>
484 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
485 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
486 to write clunky would be to use case expressions:
487 </para>
488
489 <programlisting>
490 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
491   Nothing -&gt; fail
492   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
493     Nothing -&gt; fail
494     Just val2 -&gt; val1 + val2
495 where
496   fail = val1 + val2
497 </programlisting>
498
499 <para>
500 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
501 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
502 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
503 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
504 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
505 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
506 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
507 tends to become more and more indented. 
508 </para>
509
510 <para>
511 Here is how I would write clunky:
512 </para>
513
514 <programlisting>
515 clunky env var1 var1
516   | Just val1 &lt;- lookup env var1
517   , Just val2 &lt;- lookup env var2
518   = val1 + val2
519 ...other equations for clunky...
520 </programlisting>
521
522 <para>
523 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
524 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
525 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
526 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
527 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
528 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
529 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
530 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
531 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
532 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
533 </para>
534
535 <para>
536 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
537 with among the pattern guards.  For example:
538 </para>
539
540 <programlisting>
541 f x | [y] <- x
542     , y > 3
543     , Just z <- h y
544     = ...
545 </programlisting>
546
547 <para>
548 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
549 qualifier list has just one element, a boolean expression.
550 </para>
551 </sect2>
552
553     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
554
555 <sect2 id="mdo-notation">
556 <title>The recursive do-notation
557 </title>
558
559 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
560 "A recursive do for Haskell",
561 Levent Erkok, John Launchbury",
562 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
563 </para>
564 <para>
565 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
566 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
567 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
568 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
569 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
570 </para>
571 <para>
572 Here is a simple (yet contrived) example:
573 </para>
574 <programlisting>
575 import Control.Monad.Fix
576
577 justOnes = mdo xs <- Just (1:xs)
578                return xs
579 </programlisting>
580 <para>
581 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
582 </para>
583
584 <para>
585 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
586 </para>
587 <programlisting>
588 class Monad m => MonadFix m where
589    mfix :: (a -> m a) -> m a
590 </programlisting>
591 <para>
592 The function <literal>mfix</literal>
593 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
594 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
595 For details, see the above mentioned reference.
596 </para>
597 <para>
598 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
599 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
600 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
601 </para>
602 <para>
603 There are three important points in using the recursive-do notation:
604 <itemizedlist>
605 <listitem><para>
606 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
607 than <literal>do</literal>).
608 </para></listitem>
609
610 <listitem><para>
611 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
612 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
613 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
614 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
615 </para></listitem>
616
617 <listitem><para>
618 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
619 </para></listitem>
620 </itemizedlist>
621 </para>
622
623 <para>
624 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
625 contains up to date information on recursive monadic bindings.
626 </para>
627
628 <para>
629 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
630 of the existing documents) used the name
631 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
632 This name is not supported by GHC.
633 </para>
634
635 </sect2>
636
637
638 <sect2> <title> Infix type constructors </title>
639
640 <para>GHC supports infix type constructors, much as it supports infix data constructors.  For example:
641 <programlisting>
642   infixl 5 :+:
643
644   data a :+: b = Inl a | Inr b
645
646   f :: a `Either` b -> a :+: b
647   f (Left x) = Inl x
648 </programlisting>
649 </para>
650 <para>The lexical 
651 syntax of an infix type constructor is just like that of an infix data constructor: either
652 it's an operator beginning with ":", or it is an ordinary (alphabetic) type constructor enclosed in
653 back-quotes.</para>
654
655 <para>
656 When you give a fixity declaration, the fixity applies to both the data constructor and the
657 type constructor with the specified name.  You cannot give different fixities to the type constructor T
658 and the data constructor T.
659 </para>
660
661
662 </sect2>
663
664    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
665
666   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
667     <title>Parallel List Comprehensions</title>
668     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
669     </indexterm>
670     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
671     </indexterm>
672
673     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
674     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
675     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
676     extend this to include the zipWith family.</para>
677
678     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
679     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
680     example, the following zips together two lists:</para>
681
682 <programlisting>
683    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
684 </programlisting>
685
686     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
687     zip, in that the resulting list will have the same length as the
688     shortest branch.</para>
689
690     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
691     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
692
693     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
694
695 <programlisting>
696    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
697        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
698        ... 
699    ] 
700 </programlisting>
701
702     <para>This will be translated to: </para>
703
704 <programlisting>
705    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
706                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
707                                          ... 
708    ] 
709 </programlisting>
710
711     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
712     branches.</para>
713
714   </sect2>
715
716 <sect2 id="rebindable-syntax">
717 <title>Rebindable syntax</title>
718
719
720       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
721       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
722       with a home-grown version, for example.</para>
723
724             <para>You may want to define your own numeric class
725             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
726             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
727             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
728             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
729             the following pieces of built-in syntax to refer to
730             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
731             versions:</para>
732
733             <itemizedlist>
734               <listitem>
735                 <para>Integer and fractional literals mean
736                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
737                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
738                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
739                 patterns. </para>
740                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
741                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
742               </listitem>
743
744               <listitem>
745                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
746                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
747                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
748               </listitem>
749
750               <listitem>
751                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
752                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
753                 but the necessary subtraction uses whatever
754                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
755                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
756               </listitem>
757
758               <listitem>
759           <para>"Do" notation is translated using whatever
760               functions <literal>(>>=)</literal>,
761               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
762               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
763               versions).  List comprehensions, and parallel array
764               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
765             </itemizedlist>
766
767              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
768              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
769              must have the appropriate types, namely:
770              <screen>
771                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
772                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
773                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
774                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
775                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
776                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
777                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
778                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
779              </screen>
780              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
781              is up to you.)
782              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
783              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
784              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
785
786 </sect2>
787 </sect1>
788
789
790 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
791 <sect1 id="type-extensions">
792 <title>Type system extensions</title>
793
794 <sect2 id="nullary-types">
795 <title>Data types with no constructors</title>
796
797 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
798 a data type with no constructors.  For example:</para>
799
800 <programlisting>
801   data S      -- S :: *
802   data T a    -- T :: * -> *
803 </programlisting>
804
805 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
806 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
807 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
808 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
809
810 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
811 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
812 </sect2>
813
814 <sect2 id="infix-tycons">
815 <title>Infix type constructors</title>
816
817 <para>
818 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
819 like expressions.  More specifically:
820 <itemizedlist>
821 <listitem><para>
822   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
823   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
824   </para></listitem>
825 <listitem><para>
826   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
827   </para></listitem>
828 <listitem><para>
829   Back-quotes work
830   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
831   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
832   </para></listitem>
833 <listitem><para>
834   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
835   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
836   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
837 <screen>
838   infixl 7 T, :*:
839 </screen>
840   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
841   and similarly for <literal>:*:</literal>.
842   <literal>Int `a` Bool</literal>.
843   </para></listitem>
844 <listitem><para>
845   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
846   </para></listitem>
847 <listitem><para>
848   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
849 <screen>
850   data a :*: b = Foo a b
851   type a :+: b = Either a b
852 </screen>
853   </para></listitem>
854 <listitem><para>
855   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
856   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
857   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
858   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
859   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
860   lists.  So for now we just exclude them.
861   </para></listitem>
862
863 </itemizedlist>
864 </para>
865 </sect2>
866
867 <sect2 id="sec-kinding">
868 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
869
870 <para>
871 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
872 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
873 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
874 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
875 John Hughes had to define the data type:
876 <Screen>
877      data Set cxt a = Set [a]
878                     | Unused (cxt a -> ())
879 </Screen>
880 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
881 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
882 </para>
883 <para>
884 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
885 a type variable is explicitly bound.  Namely:
886 <itemizedlist>
887 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
888 <Screen>
889   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
890 </Screen></para></listitem>
891 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
892 <Screen>
893   type T (f :: * -> *) = f Int
894 </Screen></para></listitem>
895 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
896 <Screen>
897   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
898 </Screen></para></listitem>
899 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
900 <Screen>
901   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
902 </Screen></para></listitem>
903 </itemizedlist>
904 </para>
905
906 <para>
907 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
908 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
909 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
910 single lexeme in Haskell.
911 </para>
912
913 <para>
914 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
915 as well.  Thus:
916 <Screen>
917    f :: (Int :: *) -> Int
918    g :: forall a. a -> (a :: *)
919 </Screen>
920 The syntax is
921 <Screen>
922    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
923 </Screen>
924 The parentheses are required.
925 </para>
926 </sect2>
927
928
929 <sect2 id="class-method-types">
930 <title>Class method types
931 </title>
932 <para>
933 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
934 class type variable, thus:
935 <programlisting>
936   class Seq s a where
937     fromList :: [a] -> s a
938     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
939 </programlisting>
940 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
941 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
942 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
943 </para>
944 <para>
945 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
946 </para>
947
948 </sect2>
949
950 <sect2 id="multi-param-type-classes">
951 <title>Multi-parameter type classes
952 </title>
953
954 <para>
955 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
956 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
957 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
958 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
959 Jones, Erik Meijer).
960 </para>
961
962 <para>
963 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
964 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
965 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
966 examples to support several generalisations.  (These appear below as
967 design choices not implemented in 3.02.)
968 </para>
969
970 <para>
971 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
972 will migrate towards the same design choices as I outline here.
973 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
974 feedback.
975 </para>
976
977 <sect3>
978 <title>Types</title>
979
980 <para>
981 There are the following restrictions on the form of a qualified
982 type:
983 </para>
984
985 <para>
986
987 <programlisting>
988   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
989 </programlisting>
990
991 </para>
992
993 <para>
994 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
995 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
996 explicit source-language type signature are universally quantified,
997 except for the class type variables in a class declaration.  However,
998 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
999 </para>
1000
1001 <para>
1002
1003 <OrderedList>
1004 <listitem>
1005
1006 <para>
1007  <emphasis>Each universally quantified type variable
1008 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
1009
1010 The reason for this is that a value with a type that does not obey
1011 this restriction could not be used without introducing
1012 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
1013
1014
1015 <programlisting>
1016   forall a. Eq a => Int
1017 </programlisting>
1018
1019
1020 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1021 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1022 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1023 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1024 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1025 get any more information about <literal>tv</literal>.
1026
1027 </para>
1028 </listitem>
1029 <listitem>
1030
1031 <para>
1032  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1033 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1034
1035 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1036 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1037
1038
1039 <programlisting>
1040   forall a. C a b => burble
1041 </programlisting>
1042
1043
1044 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1045 mention <literal>a</literal>:
1046
1047
1048 <programlisting>
1049   forall a. Eq b => burble
1050 </programlisting>
1051
1052
1053 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1054 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1055 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1056 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1057 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1058 territory free in case we need it later.
1059
1060 </para>
1061 </listitem>
1062
1063 </OrderedList>
1064
1065 </para>
1066
1067 <para>
1068 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
1069 or inferred.
1070 </para>
1071
1072 <para>
1073 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1074 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
1075 are perfectly OK
1076 </para>
1077
1078 <para>
1079
1080 <programlisting>
1081   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
1082   g :: Eq [a] => ...
1083 </programlisting>
1084
1085 </para>
1086
1087 <para>
1088 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
1089 </para>
1090
1091 </sect3>
1092
1093 <sect3>
1094 <title>Class declarations</title>
1095
1096 <para>
1097
1098 <OrderedList>
1099 <listitem>
1100
1101 <para>
1102  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1103
1104
1105 <programlisting>
1106   class Collection c a where
1107     union :: c a -> c a -> c a
1108     ...etc.
1109 </programlisting>
1110
1111
1112
1113 </para>
1114 </listitem>
1115 <listitem>
1116
1117 <para>
1118  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1119 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1120 this is OK:
1121
1122
1123 <programlisting>
1124   class C a where {
1125     op :: D b => a -> b -> b
1126   }
1127
1128   class C a => D a where { ... }
1129 </programlisting>
1130
1131
1132 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1133 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1134 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1135
1136 </para>
1137 </listitem>
1138 <listitem>
1139
1140 <para>
1141  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1142 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1143 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1144
1145
1146 <programlisting>
1147   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1148     ...
1149
1150   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1151     lift :: m a -> (t m) a
1152 </programlisting>
1153
1154
1155 </para>
1156 </listitem>
1157 <listitem>
1158
1159 <para>
1160  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
1161 must mention at least one type variable that is not a class type
1162 variable</emphasis>.
1163
1164 Thus:
1165
1166
1167 <programlisting>
1168   class Collection c a where
1169     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
1170 </programlisting>
1171
1172
1173 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
1174 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
1175 <literal>a</literal>.  On the other hand:
1176
1177
1178 <programlisting>
1179   class C a where
1180     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
1181 </programlisting>
1182
1183
1184 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
1185 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
1186 example is easily fixed by moving the offending context up to the
1187 superclass context:
1188
1189
1190 <programlisting>
1191   class Eq a => C a where
1192     op ::(a,b) -> (a,b)
1193 </programlisting>
1194
1195
1196 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
1197 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
1198 Rule 1(b) for types above.
1199
1200 </para>
1201 </listitem>
1202 <listitem>
1203
1204 <para>
1205  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
1206 the class type variables</emphasis>.  For example:
1207
1208
1209 <programlisting>
1210   class Coll s a where
1211     empty  :: s
1212     insert :: s -> a -> s
1213 </programlisting>
1214
1215
1216 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1217 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1218 types, and has the same motivation.
1219
1220 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1221 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1222
1223
1224 <programlisting>
1225   class Coll s a where
1226     empty  :: s a
1227     insert :: s a -> a -> s a
1228 </programlisting>
1229
1230
1231 which makes the connection between the type of a collection of
1232 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1233 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1234 class like this:
1235
1236
1237 <programlisting>
1238   class CollE s where
1239     empty  :: s
1240
1241   class CollE s => Coll s a where
1242     insert :: s -> a -> s
1243 </programlisting>
1244
1245
1246 </para>
1247 </listitem>
1248
1249 </OrderedList>
1250
1251 </para>
1252
1253 </sect3>
1254
1255 <sect3 id="instance-decls">
1256 <title>Instance declarations</title>
1257
1258 <para>
1259
1260 <OrderedList>
1261 <listitem>
1262
1263 <para>
1264  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
1265 declarations
1266
1267
1268 <programlisting>
1269   instance context1 => C type1 where ...
1270   instance context2 => C type2 where ...
1271 </programlisting>
1272
1273
1274 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
1275
1276 However, if you give the command line option
1277 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1278 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
1279 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
1280 if another instance declaration also applies, either now or later.
1281
1282 <itemizedlist>
1283 <listitem>
1284
1285 <para>
1286  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
1287 </para>
1288 </listitem>
1289 <listitem>
1290
1291 <para>
1292  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
1293 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
1294 </para>
1295 </listitem>
1296 </itemizedlist>
1297 Notice that these rules
1298 <itemizedlist>
1299 <listitem>
1300
1301 <para>
1302  make it clear which instance decl to use
1303 (pick the most specific one that matches)
1304
1305 </para>
1306 </listitem>
1307 <listitem>
1308
1309 <para>
1310  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1311 Reason: you can pick which instance decl
1312 "matches" based on the type.
1313 </para>
1314 </listitem>
1315
1316 </itemizedlist>
1317 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
1318 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1319 <programlisting>
1320   instance C (Int,a) where ...
1321   instance C (a,Bool) where ...
1322 </programlisting>
1323 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1324 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1325 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1326 </para>
1327 <para>
1328 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1329 <programlisting>
1330   class C a where { op :: a -> a }
1331   instance C [Int] where ...
1332   instance C a => C [a] where ...
1333   
1334   f :: C b => [b] -> [b]
1335   f x = op x
1336 </programlisting>
1337 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1338 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1339 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1340 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1341 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1342 the problem of subsequent instantiations.
1343 </para>
1344 <para>
1345 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1346 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1347 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1348 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1349 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1350 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1351 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1352 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1353
1354 </para>
1355 </listitem>
1356 <listitem>
1357
1358 <para>
1359  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1360 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1361 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1362 example, these are OK:
1363
1364
1365 <programlisting>
1366   instance C Int a where ...
1367
1368   instance D (Int, Int) where ...
1369
1370   instance E [[a]] where ...
1371 </programlisting>
1372
1373
1374 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1375 For example, this is OK:
1376
1377
1378 <programlisting>
1379   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1380 </programlisting>
1381
1382
1383 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1384 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1385 constructor.  For example, the following would make the type checker
1386 loop if it wasn't excluded:
1387
1388
1389 <programlisting>
1390   instance C a => C a where ...
1391 </programlisting>
1392
1393
1394 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1395 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1396 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1397 something more specific does not:
1398
1399
1400 <programlisting>
1401   instance C a where
1402     op = ... -- Default
1403 </programlisting>
1404
1405
1406 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1407 effect of a "class synonym":
1408
1409
1410 <programlisting>
1411   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1412
1413   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1414 </programlisting>
1415
1416
1417 This allows you to write shorter signatures:
1418
1419
1420 <programlisting>
1421   f :: C a => ...
1422 </programlisting>
1423
1424
1425 instead of
1426
1427
1428 <programlisting>
1429   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1430 </programlisting>
1431
1432
1433 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1434 allowing these idioms.  The experimental flag
1435 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1436 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1437 instance head to be type variables.
1438
1439 </para>
1440 </listitem>
1441 <listitem>
1442
1443 <para>
1444  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1445 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1446 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1447
1448
1449 <programlisting>
1450   type Point = (Int,Int)
1451   instance C Point   where ...
1452   instance C [Point] where ...
1453 </programlisting>
1454
1455
1456 is legal.  However, if you added
1457
1458
1459 <programlisting>
1460   instance C (Int,Int) where ...
1461 </programlisting>
1462
1463
1464 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1465 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1466 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1467
1468
1469 <programlisting>
1470   type P a = [[a]]
1471   instance Monad P where ...
1472 </programlisting>
1473
1474
1475 This design decision is independent of all the others, and easily
1476 reversed, but it makes sense to me.
1477
1478 </para>
1479 </listitem>
1480 <listitem>
1481
1482 <para>
1483 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1484 be type variables</emphasis>. Thus
1485
1486
1487 <programlisting>
1488 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1489 </programlisting>
1490
1491
1492 is OK, but
1493
1494
1495 <programlisting>
1496 instance C Int b => Foo b where ...
1497 </programlisting>
1498
1499
1500 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1501 reduction terminates.
1502
1503 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1504 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1505 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1506 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1507 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1508 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1509 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1510
1511 </para>
1512 </listitem>
1513
1514 </OrderedList>
1515
1516 </para>
1517
1518 </sect3>
1519
1520 </sect2>
1521
1522 <sect2 id="implicit-parameters">
1523 <title>Implicit parameters
1524 </title>
1525
1526 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1527 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1528 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1529 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1530 Boston, Jan 2000.
1531 </para>
1532 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
1533 <para>
1534 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1535 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1536 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1537 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1538 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1539 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1540 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1541 only support static scoping of variables.
1542 </para>
1543 <para>
1544 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1545 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1546 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1547 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1548 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1549 of type <literal>t'</literal>". For
1550 example, the following expresses the type of a sort function,
1551 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1552 <programlisting>
1553   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1554 </programlisting>
1555 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1556 </para>
1557 <para>
1558 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
1559 where <literal>x</literal> is
1560 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
1561 dynamic binding constraints. For example, the following definition
1562 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1563 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1564 <programlisting>
1565   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1566
1567   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1568   sort    = sortBy ?cmp
1569 </programlisting>
1570 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1571 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1572 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1573 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1574 to pick out the least value in a list:
1575 <programlisting>
1576   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1577   least xs = fst (sort xs)
1578 </programlisting>
1579 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1580 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1581 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1582 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1583 propagate them.
1584 </para>
1585 <para>
1586 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
1587 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1588 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1589 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1590 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1591 class constraints.
1592 </para>
1593 <para>
1594 An implicit parameter is bound using the standard
1595 <literal>let</literal> binding form, where the bindings must be a
1596 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
1597 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
1598 neither polymorphic or recursive. This form binds the implicit
1599 parameters arising in the body, not the free variables as a
1600 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> would do. For
1601 example, we define the <literal>min</literal> function by binding
1602 <literal>cmp</literal>.</para>
1603 <programlisting>
1604   min :: [a] -> a
1605   min  = let ?cmp = (<=) in least
1606 </programlisting>
1607 <para>
1608 Note the following points:
1609 <itemizedlist>
1610 <listitem><para>
1611 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
1612 single <literal>let</literal>
1613 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
1614 </para></listitem>
1615
1616 <listitem><para>
1617 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
1618 single <literal>let</literal> expression; they are <emphasis>not</emphasis> treated
1619 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
1620 Instead they are treated as a non-recursive group, each scoping over the bindings that
1621 follow.  For example, consider:
1622 <programlisting>
1623   f y = let { ?x = y; ?x = ?x+1 } in ?x
1624 </programlisting>
1625 This function adds one to its argument.
1626 </para></listitem>
1627
1628 <listitem><para>
1629 You may not have an implicit-parameter binding in a <literal>where</literal> clause,
1630 only in a <literal>let</literal> binding.
1631 </para></listitem>
1632
1633 <listitem>
1634 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1635 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1636 <programlisting>
1637   class (?x::Int) => C a where ...
1638   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1639 </programlisting>
1640 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1641 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1642 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1643 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1644 </listitem>
1645 </itemizedlist>
1646 </para>
1647
1648 </sect2>
1649
1650 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
1651 <title>Linear implicit parameters
1652 </title>
1653 <para>
1654 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1655 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1656 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1657 </para>
1658 <itemizedlist>
1659 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1660 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1661 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1662 </itemizedlist>
1663
1664 <para>
1665 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1666 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1667 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1668 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1669 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1670 </para>
1671 <para>
1672 For example:
1673 <programlisting>
1674     import GHC.Exts( Splittable )
1675
1676     data NameSupply = ...
1677     
1678     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1679     newName :: NameSupply -> Name
1680
1681     instance Splittable NameSupply where
1682         split = splitNS
1683
1684
1685     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1686     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1687                     where
1688                       x'   = newName %ns
1689                       env' = extend env x x'
1690     ...more equations for f...
1691 </programlisting>
1692 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1693 <itemizedlist>
1694 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1695 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1696 </itemizedlist>
1697 </para>
1698 <para>
1699 So the translation done by the type checker makes
1700 the parameter explicit:
1701 <programlisting>
1702     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1703     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1704                        where
1705                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1706                          x' = newName ns2
1707                          env = extend env x x'
1708 </programlisting>
1709 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1710 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1711 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1712 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
1713 <programlisting>
1714         class Splittable a where
1715           split :: a -> (a,a)
1716 </programlisting>
1717 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1718 split for name supplies.  But we can simply write
1719 <programlisting>
1720         g x = (x, %ns, %ns)
1721 </programlisting>
1722 and GHC will infer
1723 <programlisting>
1724         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1725 </programlisting>
1726 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1727 <literal>GHC.Exts</literal>.
1728 </para>
1729 <para>
1730 Other points:
1731 <itemizedlist>
1732 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1733 are entirely distinct implicit parameters: you 
1734   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1735 </listitem>
1736
1737 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1738
1739 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1740   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1741 </itemizedlist>
1742 </para>
1743
1744 <sect3><title>Warnings</title>
1745
1746 <para>
1747 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1748 Consider the example above:
1749 <programlisting>
1750     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1751     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1752                     where
1753                       x'   = newName %ns
1754                       env' = extend env x x'
1755 </programlisting>
1756 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1757 usually a harmless thing to do, we get:
1758 <programlisting>
1759     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1760     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1761                     where
1762                       env' = extend env x (newName %ns)
1763 </programlisting>
1764 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1765 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1766 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1767 the beta rule.
1768 </para>
1769 <para>
1770 Well, this is an experimental change.  With implicit
1771 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1772 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1773 Haskell programs without knowing their typing.
1774 </para>
1775
1776 </sect3>
1777
1778 <sect3><title>Recursive functions</title>
1779 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
1780 Consider
1781 <programlisting>
1782         foo :: %x::T => Int -> [Int]
1783         foo 0 = []
1784         foo n = %x : foo (n-1)
1785 </programlisting>
1786 where T is some type in class Splittable.</para>
1787 <para>
1788 Do you get a list of all the same T's or all different T's
1789 (assuming that split gives two distinct T's back)?
1790 </para><para>
1791 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
1792 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
1793 translated term, where the implicit param is made explicit:
1794 <programlisting>
1795         foo x 0 = []
1796         foo x n = let (x1,x2) = split x
1797                   in x1 : foo x2 (n-1)
1798 </programlisting>
1799 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
1800 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
1801 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
1802 work.  So the translation becomes
1803 <programlisting>
1804         foo x = let
1805                   foom 0 = []
1806                   foom n = x : foom (n-1)
1807                 in
1808                 foom
1809 </programlisting>
1810 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
1811 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
1812 Yikes!
1813 </para><para>
1814 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
1815 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
1816 </para>
1817 </sect3>
1818
1819 </sect2>
1820
1821 <sect2 id="functional-dependencies">
1822 <title>Functional dependencies
1823 </title>
1824
1825 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1826 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1827 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1828 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1829 .
1830 </para>
1831
1832 <para>
1833 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1834 </para>
1835 </sect2>
1836
1837
1838 <sect2 id="universal-quantification">
1839 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1840 </title>
1841
1842 <para>
1843 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1844 allows us to say exactly what this means.  For example:
1845 </para>
1846 <para>
1847 <programlisting>
1848         g :: b -> b
1849 </programlisting>
1850 means this:
1851 <programlisting>
1852         g :: forall b. (b -> b)
1853 </programlisting>
1854 The two are treated identically.
1855 </para>
1856
1857 <para>
1858 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1859 explicit universal quantification in
1860 types. 
1861 For example, all the following types are legal:
1862 <programlisting>
1863     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1864     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1865
1866     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1867     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1868
1869     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1870 </programlisting>
1871 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1872 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1873 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1874 is implicitly added by Haskell.
1875 </para>
1876 <para>
1877 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1878 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1879 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1880 </para>
1881 <para>
1882 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1883 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1884 </para>
1885 <para>
1886 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1887 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1888 that restriction has now been lifted.)
1889 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1890 including an operational type class context, is legal:
1891 <itemizedlist>
1892 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1893 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1894 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1895 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1896 field type signatures.</para> </listitem>
1897 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1898 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1899 </itemizedlist>
1900 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1901 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1902 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1903 <programlisting>
1904     x1 :: [forall a. a->a]
1905     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1906     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1907 </programlisting>
1908 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1909 a type variable any more!
1910 </para>
1911
1912
1913 <sect3 id="univ">
1914 <title>Examples
1915 </title>
1916
1917 <para>
1918 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1919 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1920 </para>
1921
1922 <para>
1923
1924 <programlisting>
1925 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1926
1927 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1928                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1929                         }
1930
1931 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1932 </programlisting>
1933
1934 </para>
1935
1936 <para>
1937 The constructors have rank-2 types:
1938 </para>
1939
1940 <para>
1941
1942 <programlisting>
1943 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1944 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1945                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1946                   -> MonadT m
1947 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1948 </programlisting>
1949
1950 </para>
1951
1952 <para>
1953 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1954 explicit context.  For example in the first argument of the
1955 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1956 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1957 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1958 mentioned in the type quantified over.
1959 </para>
1960
1961 <para>
1962 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1963 types too.  So if you write this:
1964
1965 <programlisting>
1966   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1967 </programlisting>
1968
1969 it's just as if you had written this:
1970
1971 <programlisting>
1972   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1973 </programlisting>
1974
1975 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1976 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1977 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1978 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1979 </para>
1980
1981 <para>
1982 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1983 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1984 </para>
1985
1986 <para>
1987
1988 <programlisting>
1989     a1 :: T Int
1990     a1 = T1 (\xy->x) 3
1991     
1992     a2, a3 :: Swizzle
1993     a2 = MkSwizzle sort
1994     a3 = MkSwizzle reverse
1995     
1996     a4 :: MonadT Maybe
1997     a4 = let r x = Just x
1998              b m k = case m of
1999                        Just y -> k y
2000                        Nothing -> Nothing
2001          in
2002          MkMonad r b
2003
2004     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2005     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2006 </programlisting>
2007
2008 </para>
2009
2010 <para>
2011 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2012 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2013 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2014 </para>
2015
2016 <para>
2017 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2018 polymorphic types.  For example:
2019 </para>
2020
2021 <para>
2022
2023 <programlisting>
2024     f :: T a -> a -> (a, Char)
2025     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2026
2027     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2028     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2029
2030     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2031     h m [] = return m []
2032     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2033                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2034                  return m (y:ys)
2035 </programlisting>
2036
2037 </para>
2038
2039 <para>
2040 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2041 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2042 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2043 matching.
2044 </para>
2045 </sect3>
2046
2047 <sect3>
2048 <title>Type inference</title>
2049
2050 <para>
2051 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
2052 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2053 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2054 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2055 </para>
2056 <para>
2057 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2058 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2059 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2060 </para>
2061 <para>
2062 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2063 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2064 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
2065 <programlisting>
2066      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2067 </programlisting>
2068 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2069 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2070 <programlisting>
2071      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2072 </programlisting>
2073 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2074 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2075 one can give a type signature for the function itself:
2076 <programlisting>
2077      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2078      h f = (f True, f 'c')
2079 </programlisting>
2080 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2081 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2082 <programlisting>
2083     f :: T a -> a -> (a, Char)
2084     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2085 </programlisting>
2086 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2087 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2088 it needs to know.
2089 </para>
2090
2091 </sect3>
2092
2093
2094 <sect3 id="implicit-quant">
2095 <title>Implicit quantification</title>
2096
2097 <para>
2098 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2099 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2100 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2101 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2102 equivalent:
2103 <programlisting>
2104   f :: a -> a
2105   f :: forall a. a -> a
2106
2107   g (x::a) = let
2108                 h :: a -> b -> b
2109                 h x y = y
2110              in ...
2111   g (x::a) = let
2112                 h :: forall b. a -> b -> b
2113                 h x y = y
2114              in ...
2115 </programlisting>
2116 </para>
2117 <para>
2118 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2119 point.  For example:
2120 <programlisting>
2121   f :: (a -> a) -> Int
2122            -- MEANS
2123   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2124            -- NOT
2125   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2126
2127
2128   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2129            -- MEANS the illegal type
2130   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2131            -- NOT
2132   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2133 </programlisting>
2134 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2135 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2136 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2137 for rank-2 types.
2138 </para>
2139 </sect3>
2140 </sect2>
2141
2142 <sect2 id="type-synonyms">
2143 <title>Liberalised type synonyms 
2144 </title>
2145
2146 <para>
2147 Type synonmys are like macros at the type level, and
2148 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
2149 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
2150 <itemizedlist>
2151 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
2152 in a type synonym, thus:
2153 <programlisting>
2154   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
2155
2156   f :: Discard a
2157   f x y = (x, show y)
2158
2159   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
2160   g f = f Int True
2161 </programlisting>
2162 </para>
2163 </listitem>
2164
2165 <listitem><para>
2166 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
2167 <programlisting>
2168   type Pr = (# Int, Int #)
2169
2170   h :: Int -> Pr
2171   h x = (# x, x #)
2172 </programlisting>
2173 </para></listitem>
2174
2175 <listitem><para>
2176 You can apply a type synonym to a forall type:
2177 <programlisting>
2178   type Foo a = a -> a -> Bool
2179  
2180   f :: Foo (forall b. b->b)
2181 </programlisting>
2182 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
2183 <programlisting>
2184   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
2185 </programlisting>
2186 </para></listitem>
2187
2188 <listitem><para>
2189 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
2190 <programlisting>
2191   type Generic i o = forall x. i x -> o x
2192   type Id x = x
2193   
2194   foo :: Generic Id []
2195 </programlisting>
2196 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
2197 <programlisting>
2198   foo :: forall x. x -> [x]
2199 </programlisting>
2200 </para></listitem>
2201
2202 </itemizedlist>
2203 </para>
2204
2205 <para>
2206 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
2207 could be changed.)
2208 </para>
2209 <para>
2210 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
2211 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
2212 <itemizedlist>
2213 <listitem><para>
2214 Type constructor applied to a type involving for-alls.
2215 </para></listitem>
2216 <listitem><para>
2217 Unboxed tuple on left of an arrow.
2218 </para></listitem>
2219 <listitem><para>
2220 Partially-applied type synonym.
2221 </para></listitem>
2222 </itemizedlist>
2223 So, for example,
2224 this will be rejected:
2225 <programlisting>
2226   type Pr = (# Int, Int #)
2227
2228   h :: Pr -> Int
2229   h x = ...
2230 </programlisting>
2231 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
2232 </para>
2233 </sect2>
2234
2235 <sect2 id="hoist">
2236 <title>For-all hoisting</title>
2237 <para>
2238 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
2239 end of an arrow, thus:
2240 <programlisting>
2241   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2242
2243   g :: Int -> Discard Int
2244   g x y z = x+y
2245 </programlisting>
2246 Simply expanding the type synonym would give
2247 <programlisting>
2248   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2249 </programlisting>
2250 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2251 <programlisting>
2252   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2253 </programlisting>
2254 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2255 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2256 performs the transformation:</emphasis>
2257 <programlisting>
2258   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2259 ==>
2260   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2261 </programlisting>
2262 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2263 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2264 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2265 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2266 <programlisting>
2267   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2268 </programlisting>
2269 </para>
2270 <para>
2271 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2272 example:
2273 <programlisting>
2274   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2275   g :: Foo (Foo Int)
2276 </programlisting>
2277 means
2278 <programlisting>
2279   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2280 </programlisting>
2281 </para>
2282 </sect2>
2283
2284
2285 <sect2 id="existential-quantification">
2286 <title>Existentially quantified data constructors
2287 </title>
2288
2289 <para>
2290 The idea of using existential quantification in data type declarations
2291 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
2292 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
2293 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
2294 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2295 </para>
2296
2297 <para>
2298
2299 <programlisting>
2300   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2301            | Nil
2302 </programlisting>
2303
2304 </para>
2305
2306 <para>
2307 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2308 </para>
2309
2310 <para>
2311
2312 <programlisting>
2313   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2314   Nil   :: Foo
2315 </programlisting>
2316
2317 </para>
2318
2319 <para>
2320 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2321 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2322 For example, the following expression is fine:
2323 </para>
2324
2325 <para>
2326
2327 <programlisting>
2328   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2329 </programlisting>
2330
2331 </para>
2332
2333 <para>
2334 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2335 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2336 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2337 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2338 </para>
2339
2340 <para>
2341 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2342 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2343 </para>
2344
2345 <para>
2346
2347 <programlisting>
2348   f (MkFoo val fn) = ???
2349 </programlisting>
2350
2351 </para>
2352
2353 <para>
2354 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2355 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2356 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2357 </para>
2358
2359 <para>
2360
2361 <programlisting>
2362   f :: Foo -> Bool
2363   f (MkFoo val fn) = fn val
2364 </programlisting>
2365
2366 </para>
2367
2368 <para>
2369 What this allows us to do is to package heterogenous values
2370 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2371 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2372 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2373 </para>
2374
2375 <sect3 id="existential">
2376 <title>Why existential?
2377 </title>
2378
2379 <para>
2380 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2381 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2382 </para>
2383
2384 <para>
2385
2386 <programlisting>
2387   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2388 </programlisting>
2389
2390 </para>
2391
2392 <para>
2393 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2394 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2395 adding a new existential quantification construct.
2396 </para>
2397
2398 </sect3>
2399
2400 <sect3>
2401 <title>Type classes</title>
2402
2403 <para>
2404 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
2405 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2406 </para>
2407
2408 <para>
2409
2410 <programlisting>
2411 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2412          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2413 </programlisting>
2414
2415 </para>
2416
2417 <para>
2418 The two constructors have the types you'd expect:
2419 </para>
2420
2421 <para>
2422
2423 <programlisting>
2424 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2425 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2426 </programlisting>
2427
2428 </para>
2429
2430 <para>
2431 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2432 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2433 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2434 So this program is legal:
2435 </para>
2436
2437 <para>
2438
2439 <programlisting>
2440   f :: Baz -> String
2441   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2442                | otherwise = "No"
2443   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2444 </programlisting>
2445
2446 </para>
2447
2448 <para>
2449 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2450 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2451 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2452 extract it on pattern matching.
2453 </para>
2454
2455 <para>
2456 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
2457 universal quantification earlier.
2458 </para>
2459
2460 </sect3>
2461
2462 <sect3>
2463 <title>Restrictions</title>
2464
2465 <para>
2466 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2467 constructors can be use.
2468 </para>
2469
2470 <para>
2471
2472 <itemizedlist>
2473 <listitem>
2474
2475 <para>
2476  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2477 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2478 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2479 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2480
2481
2482 <programlisting>
2483 f1 (MkFoo a f) = a
2484 </programlisting>
2485
2486
2487 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2488 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2489 ask what type <function>f1</function> has:
2490
2491
2492 <programlisting>
2493   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2494 </programlisting>
2495
2496
2497 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2498 this:
2499
2500
2501 <programlisting>
2502   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2503 </programlisting>
2504
2505
2506 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2507
2508
2509 <programlisting>
2510   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2511 </programlisting>
2512
2513
2514 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2515 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2516 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2517
2518
2519 </para>
2520 </listitem>
2521 <listitem>
2522
2523 <para>
2524 You can't pattern-match on an existentially quantified
2525 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2526 bindings. So this is illegal:
2527
2528
2529 <programlisting>
2530   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2531 </programlisting>
2532
2533 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2534
2535 <programlisting>
2536   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2537 </programlisting>
2538
2539 In general, you can only pattern-match
2540 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2541 in the patterns of a function definition.
2542
2543 The reason for this restriction is really an implementation one.
2544 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2545 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2546 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2547 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2548 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2549 annoying it is.
2550
2551 </para>
2552 </listitem>
2553 <listitem>
2554
2555 <para>
2556 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2557 declarations.  So this is illegal:
2558
2559
2560 <programlisting>
2561   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2562 </programlisting>
2563
2564
2565 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2566 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2567 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2568 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2569 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2570 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2571 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2572 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2573 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2574 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2575 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2576
2577
2578 </para>
2579 </listitem>
2580 <listitem>
2581
2582 <para>
2583  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2584 data type with existentially quantified data constructors.
2585
2586 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2587
2588 <programlisting>
2589 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2590 </programlisting>
2591
2592 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2593 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2594
2595 <programlisting>
2596 instance Eq T where
2597   (MkT a) == (MkT b) = ???
2598 </programlisting>
2599
2600 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2601 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2602 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2603 declarations.  Define your own instances!
2604 </para>
2605 </listitem>
2606
2607 </itemizedlist>
2608
2609 </para>
2610
2611 </sect3>
2612
2613 </sect2>
2614
2615 <sect2 id="scoped-type-variables">
2616 <title>Scoped type variables
2617 </title>
2618
2619 <para>
2620 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2621 variable</emphasis>.  For example
2622 </para>
2623
2624 <para>
2625
2626 <programlisting>
2627 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2628            where
2629               ys :: [a]
2630               ys = reverse xs
2631 </programlisting>
2632
2633 </para>
2634
2635 <para>
2636 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2637 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2638 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2639 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2640 </para>
2641
2642 <para>
2643  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2644 type signatures.  The two can be used independently or together.
2645 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2646 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2647 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2648 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2649 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2650 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2651 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2652 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2653 it becomes possible to do so.
2654 </para>
2655
2656 <para>
2657 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2658 implementations differ from the specification below, those differences
2659 are noted.
2660 </para>
2661
2662 <para>
2663 So much for the basic idea.  Here are the details.
2664 </para>
2665
2666 <sect3>
2667 <title>What a pattern type signature means</title>
2668 <para>
2669 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2670 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2671 of the same name mean the same type.  For example:
2672 <programlisting>
2673   f :: [Int] -> Int -> Int
2674   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2675 </programlisting>
2676 The pattern type signatures on the left hand side of
2677 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2678 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2679 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2680 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2681 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2682 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2683 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2684 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2685 For example, all of these are legal:</para>
2686
2687 <programlisting>
2688   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2689
2690   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2691
2692   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2693
2694   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2695         in k x                  -- environment
2696
2697   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2698   k (x::Int) False = ...
2699
2700   w :: [b] -> [b]
2701   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2702 </programlisting>
2703
2704 </sect3>
2705
2706 <sect3>
2707 <title>Scope and implicit quantification</title>
2708
2709 <para>
2710
2711 <itemizedlist>
2712 <listitem>
2713
2714 <para>
2715 All the type variables mentioned in a pattern,
2716 that are not already in scope,
2717 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2718 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2719 For example:
2720 <programlisting>
2721   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2722              in
2723              g (x,True)
2724 </programlisting>
2725 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2726 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2727 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2728 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2729 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2730 </para>
2731 </listitem>
2732
2733 <listitem>
2734 <para>
2735 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2736 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2737 <programlisting>
2738   let
2739     f (x::a) = <...rhs of f...>
2740     (p::b, q::b) = (1,2)
2741   in <...body of let...>
2742 </programlisting>
2743 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2744 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2745 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2746 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2747 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2748 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2749 </para>
2750 </listitem>
2751
2752
2753 <listitem>
2754 <para>
2755 The type variables bound by the pattern may be 
2756 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2757 type signatures anywhere within their scope.
2758
2759 </para>
2760 </listitem>
2761
2762 <listitem>
2763 <para>
2764  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2765 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2766
2767 </para>
2768 </listitem>
2769
2770 <listitem>
2771
2772 <para>
2773  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2774 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2775
2776 <programlisting>
2777   f :: a -> a
2778   f x = x::a
2779 </programlisting>
2780
2781 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2782 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2783 and that is an incorrect typing.
2784
2785 </para>
2786 </listitem>
2787
2788 <listitem>
2789 <para>
2790 The pattern type signature is a monotype:
2791 </para>
2792
2793 <itemizedlist>
2794 <listitem> <para> 
2795 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2796 </para> </listitem>
2797
2798 <listitem>  <para> 
2799 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2800 not to type schemes.
2801 </para> </listitem>
2802
2803 <listitem>  <para> 
2804 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2805 ordinary type signatures).
2806 </para> </listitem>
2807
2808 </itemizedlist>
2809
2810 </listitem>
2811
2812 <listitem>
2813 <para>
2814
2815 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2816 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2817
2818
2819 <programlisting>
2820   class C a where
2821     op :: [a] -> a
2822
2823     op xs = let ys::[a]
2824                 ys = reverse xs
2825             in
2826             head ys
2827 </programlisting>
2828
2829
2830 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2831 </para>
2832 </listitem>
2833
2834 </itemizedlist>
2835
2836 </para>
2837
2838 </sect3>
2839
2840 <sect3>
2841 <title>Result type signatures</title>
2842
2843 <para>
2844
2845 <itemizedlist>
2846 <listitem>
2847
2848 <para>
2849  The result type of a function can be given a signature,
2850 thus:
2851
2852
2853 <programlisting>
2854   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2855 </programlisting>
2856
2857
2858 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2859 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2860 you want:
2861
2862
2863 <programlisting>
2864   f :: Int -> [a] -> [a]
2865   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2866                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2867 </programlisting>
2868
2869
2870 </para>
2871 </listitem>
2872
2873 </itemizedlist>
2874
2875 </para>
2876
2877 <para>
2878 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2879 </para>
2880
2881 </sect3>
2882
2883 <sect3>
2884 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2885
2886 <para>
2887 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2888 <itemizedlist>
2889
2890 <listitem>
2891 <para>
2892 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2893 ust on a variable:
2894
2895
2896 <programlisting>
2897   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2898 </programlisting>
2899
2900
2901 </para>
2902 </listitem>
2903 <listitem>
2904
2905 <para>
2906  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2907 in lambda abstractions:
2908
2909 <programlisting>
2910   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2911 </programlisting>
2912 </para>
2913 </listitem>
2914 <listitem>
2915
2916 <para>
2917  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2918 in <literal>case</literal> expressions:
2919
2920
2921 <programlisting>
2922   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2923 </programlisting>
2924
2925 </para>
2926 </listitem>
2927
2928 <listitem>
2929 <para>
2930 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2931 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2932 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2933 consider how one would parse this:
2934
2935
2936 <programlisting>
2937   \ x :: a -> b -> x
2938 </programlisting>
2939
2940
2941 </para>
2942 </listitem>
2943
2944 <listitem>
2945
2946 <para>
2947  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2948 For example:
2949
2950
2951 <programlisting>
2952   data T = forall a. MkT [a]
2953
2954   f :: T -> T
2955   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2956                  where
2957                    t3::[a] = [t,t,t]
2958 </programlisting>
2959
2960
2961 </para>
2962 </listitem>
2963
2964
2965 <listitem>
2966
2967 <para>
2968 Pattern type signatures 
2969 can be used in pattern bindings:
2970
2971 <programlisting>
2972   f x = let (y, z::a) = x in ...
2973   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2974   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2975   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2976 </programlisting>
2977
2978 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2979 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2980 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2981 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2982 In contrast, the binding
2983 <programlisting>
2984   f4 :: b->b
2985   f4 = \x -> x
2986 </programlisting>
2987 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2988 in <literal>f4</literal>'s scope.
2989
2990 </para>
2991 </listitem>
2992 </itemizedlist>
2993 </para>
2994
2995 </sect3>
2996 </sect2>
2997
2998 <sect2 id="newtype-deriving">
2999 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3000
3001 <para>
3002 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3003 the new type to inherit some instances from its representation. In
3004 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3005 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3006 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3007 example, if you define
3008
3009 <programlisting> 
3010   newtype Dollars = Dollars Int 
3011 </programlisting> 
3012
3013 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3014 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3015
3016 <programlisting> 
3017   instance Num Dollars where
3018     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3019     ...
3020 </programlisting>
3021 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3022 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3023 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3024 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3025 dictionary, only slower!
3026 </para>
3027
3028
3029 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3030 <para>
3031 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3032 <programlisting> 
3033   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3034 </programlisting> 
3035
3036 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3037 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3038 derives an instance declaration of the form
3039
3040 <programlisting> 
3041   instance Num Int => Num Dollars
3042 </programlisting> 
3043
3044 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3045 </para>
3046 <para>
3047
3048 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3049 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3050 transformers, such that
3051
3052 <programlisting> 
3053   instance Monad m => Monad (State s m) 
3054   instance Monad m => Monad (Failure m)
3055 </programlisting> 
3056 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3057 <programlisting> 
3058   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3059 </programlisting> 
3060
3061 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3062 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3063 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3064
3065 <programlisting> 
3066   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3067                          deriving Monad
3068 </programlisting>
3069 In this case the derived instance declaration is of the form 
3070 <programlisting> 
3071   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3072 </programlisting> 
3073
3074 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3075 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3076 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3077 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3078 declaration.
3079 </para>
3080 <para>
3081
3082 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3083 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3084 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3085 clause. For example, given the class
3086
3087 <programlisting> 
3088   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3089   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3090 </programlisting> 
3091 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3092 <programlisting> 
3093   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3094                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3095 </programlisting>
3096
3097 The derived instance is obtained by completing the application of the
3098 class to the new type:
3099
3100 <programlisting> 
3101   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3102            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3103 </programlisting>
3104 </para>
3105 <para>
3106
3107 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3108 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3109 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3110 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3111 the newtype and its representation.
3112 </para>
3113 </sect3>
3114
3115 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3116 <para>
3117 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3118 declaration (after expansion of any type synonyms)
3119
3120 <programlisting> 
3121   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3122 </programlisting> 
3123
3124 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3125 types,
3126 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3127 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3128 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3129 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3130
3131 <programlisting> 
3132   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3133 </programlisting>
3134 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3135 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3136 </para>
3137 <para>
3138
3139 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3140 <programlisting> 
3141   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3142 </programlisting> 
3143 Here we cannot derive the instance 
3144 <programlisting> 
3145   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3146 </programlisting> 
3147
3148 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3149 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3150 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3151 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3152 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3153 </para>
3154 <para>
3155
3156 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3157 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3158 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3159
3160 <programlisting> 
3161   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3162 </programlisting>
3163
3164 then we would not have been able to derive an instance for the
3165 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3166 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3167 instances is most interesting.
3168 </para>
3169 </sect3>
3170
3171 </sect2>
3172
3173
3174 </sect1>
3175 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3176   
3177 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3178
3179 <sect1 id="template-haskell">
3180 <title>Template Haskell</title>
3181
3182 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  The background 
3183 the main technical innovations are discussed in "<ulink
3184 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3185 Template Meta-programming for Haskell</ulink>", in 
3186 Proc Haskell Workshop 2002.
3187 </para>
3188
3189 <para>
3190 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3191 Tim Sheard is going to expand it.)
3192 </para>
3193
3194 <sect2>  <title> Syntax </title>
3195 <para>
3196     Template Haskell has the following new syntactic constructions.  You need to use the flag  
3197                 <literal>-fglasgow-exts</literal> to switch these syntactic extensions on.
3198
3199         <itemizedlist>
3200               <listitem><para>
3201                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3202                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3203                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3204                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3205                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3206                   </para>
3207               <para> A splice can occur in place of 
3208                   <itemizedlist>
3209                     <listitem><para> an expression;</para></listitem>
3210                     <listitem><para> a list of top-level declarations;</para></listitem>
3211                     <listitem><para> a pattern;</para></listitem>
3212                     <listitem><para> a type;</para></listitem>
3213                     </itemizedlist>
3214                 </para></listitem>
3215
3216
3217               <listitem><para>
3218                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3219                   <itemizedlist>
3220                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression;</para></listitem>
3221                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;</para></listitem>
3222                     <listitem><para> <literal>[p| ... |]</literal>, where the "..." is a pattern;</para></listitem>
3223                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;</para></listitem>
3224                   </itemizedlist></para></listitem>
3225
3226               <listitem><para>
3227                   Reification is written thus:
3228                   <itemizedlist>
3229                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3230                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3231                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3232                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3233                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3234                     
3235                   </itemizedlist></para>
3236                 </listitem>
3237
3238                   
3239         </itemizedlist>
3240 </para>
3241 </sect2>
3242
3243 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3244 <para>
3245 <itemizedlist>
3246     <listitem><para>
3247     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3248     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3249     </para></listitem>
3250
3251     <listitem><para>
3252             If the module contains any top-level splices that must be run, you must use GHC with
3253             <literal>--make</literal> or <literal>--interactive</literal> flags.  (Reason: that 
3254             means it walks the dependency tree and knows what modules must be linked etc.)
3255    </para></listitem>
3256
3257     <listitem><para>
3258     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3259             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3260             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3261    </para></listitem>
3262
3263     <listitem><para>
3264             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3265    </para></listitem>
3266 </itemizedlist>
3267 </para>
3268 </sect2>
3269  
3270 </sect1>
3271
3272 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
3273
3274 <sect1 id="sec-assertions">
3275 <title>Assertions
3276 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
3277 </title>
3278
3279 <para>
3280 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
3281 could define a function like the following:
3282 </para>
3283
3284 <para>
3285
3286 <programlisting>
3287 assert :: Bool -> a -> a
3288 assert False x = error "assertion failed!"
3289 assert _     x = x
3290 </programlisting>
3291
3292 </para>
3293
3294 <para>
3295 which works, but gives you back a less than useful error message --
3296 an assertion failed, but which and where?
3297 </para>
3298
3299 <para>
3300 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
3301 takes a descriptive string to include in the error message and
3302 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
3303 the source location where <function>assert</function> was used.
3304 </para>
3305
3306 <para>
3307 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
3308 use of <function>assert</function> in the user's source:
3309 </para>
3310
3311 <para>
3312
3313 <programlisting>
3314 kelvinToC :: Double -> Double
3315 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
3316 </programlisting>
3317
3318 </para>
3319
3320 <para>
3321 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
3322 assertion was made,
3323 </para>
3324
3325 <para>
3326
3327 <programlisting>
3328 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
3329 </programlisting>
3330
3331 </para>
3332
3333 <para>
3334 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
3335 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
3336 can still define and use your own versions of
3337 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
3338 <literal>Control.Exception</literal> to make use
3339 <function>assert</function> in your code.
3340 </para>
3341
3342 <para>
3343 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
3344 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
3345 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
3346 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
3347 <literal>e</literal>.
3348 </para>
3349
3350 <para>
3351 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
3352 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
3353 </para>
3354
3355 </sect1>
3356
3357
3358 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
3359
3360   <sect1 id="pragmas">
3361     <title>Pragmas</title>
3362
3363     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
3364
3365     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
3366     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
3367     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
3368     of the generated code.</para>
3369
3370     <para>Pragmas all take the form
3371
3372 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
3373
3374     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
3375     pragma, and is followed optionally by information specific to that
3376     type of pragma.  Case is ignored in
3377     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
3378     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
3379     in the following sections; any pragma encountered with an
3380     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
3381     ignored.</para>
3382
3383 <sect2 id="inline-pragma">
3384 <title>INLINE pragma
3385
3386 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
3387 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
3388
3389 <para>
3390 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
3391 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
3392 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
3393 </para>
3394
3395 <para>
3396 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
3397 interface files.
3398 </para>
3399
3400 <para>
3401 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
3402 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
3403 use.
3404 </para>
3405
3406 <para>
3407 The sledgehammer you can bring to bear is the
3408 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
3409
3410 <programlisting>
3411 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
3412
3413 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3414 {-# INLINE key_function #-}
3415 #endif
3416 </programlisting>
3417
3418 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
3419 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
3420 </para>
3421
3422 <para>
3423 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
3424 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
3425 very keen to inline it.
3426 </para>
3427
3428 <para>
3429 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
3430 signature could be put.
3431 </para>
3432
3433 <para>
3434 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
3435 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
3436 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
3437
3438 <programlisting>
3439 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3440 {-# INLINE thenUs #-}
3441 {-# INLINE returnUs #-}
3442 #endif
3443 </programlisting>
3444
3445 </para>
3446
3447 </sect2>
3448
3449 <sect2 id="noinline-pragma">
3450 <title>NOINLINE pragma
3451 </title>
3452
3453 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
3454 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
3455 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
3456 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
3457
3458 <para>
3459 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
3460 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
3461 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
3462 size.
3463 </para>
3464
3465 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
3466 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
3467 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
3468 used if you want your code to be portable).</para>
3469
3470 </sect2>
3471
3472     <sect2 id="specialize-pragma">
3473       <title>SPECIALIZE pragma</title>
3474
3475       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3476       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
3477       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3478
3479       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
3480       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
3481       specialised to particular types.  Thus, if you have an
3482       overloaded function:</para>
3483
3484 <programlisting>
3485 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
3486 </programlisting>
3487
3488       <para>If it is heavily used on lists with
3489       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
3490       follows:</para>
3491
3492 <programlisting>
3493 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
3494 </programlisting>
3495
3496       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
3497       to use for the specialised value, as in:</para>
3498
3499 <programlisting>
3500 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
3501 </programlisting>
3502
3503       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
3504       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
3505       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
3506       Responsibility</emphasis> to make sure that
3507       <function>blah</function> really behaves as a specialised
3508       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
3509
3510       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
3511       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
3512       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
3513       <xref linkend="rules"> for more information on
3514       <literal>RULES</literal>.</para>
3515
3516       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
3517       specialisation will Win Big:
3518
3519 <programlisting>
3520 toDouble :: Real a => a -> Double
3521 toDouble = fromRational . toRational
3522
3523 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
3524 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
3525 </programlisting>
3526
3527       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
3528       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
3529       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
3530       comparison.</para>
3531
3532       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
3533       be put anywhere its type signature could be put.</para>
3534
3535     </sect2>
3536
3537 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
3538 <title>SPECIALIZE instance pragma
3539 </title>
3540
3541 <para>
3542 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3543 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3544 Same idea, except for instance declarations.  For example:
3545
3546 <programlisting>
3547 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
3548    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
3549    ... usual stuff ...
3550  }
3551 </programlisting>
3552 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
3553 of the instance declaration.
3554 </para>
3555 <para>
3556 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
3557 of the pragma.
3558 </para>
3559
3560 </sect2>
3561
3562 <sect2 id="line-pragma">
3563 <title>LINE pragma
3564 </title>
3565
3566 <para>
3567 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
3568 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
3569 </para>
3570
3571 <para>
3572 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
3573 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
3574 number and filename of the original code; for example
3575 </para>
3576
3577 <para>
3578
3579 <programlisting>
3580 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
3581 </programlisting>
3582
3583 </para>
3584
3585 <para>
3586 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
3587 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
3588 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
3589 pragma.
3590 </para>
3591
3592 </sect2>
3593
3594 <sect2 id="rules">
3595 <title>RULES pragma</title>
3596
3597 <para>
3598 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
3599 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
3600 </para>
3601
3602 </sect2>
3603
3604 <sect2 id="deprecated-pragma">
3605 <title>DEPRECATED pragma</title>
3606
3607 <para>
3608 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
3609 There are two forms.  
3610 </para>
3611 <itemizedlist>
3612 <listitem><para>
3613 You can deprecate an entire module thus:</para>
3614 <programlisting>
3615    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
3616      ...
3617 </programlisting>
3618 <para>
3619 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
3620 the specified message.</para>
3621 </listitem>
3622
3623 <listitem>
3624 <para>
3625 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
3626 </para>
3627 <programlisting>
3628    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
3629 </programlisting>
3630 <para>
3631 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
3632 GHC will print the specified message.
3633 </para>
3634 </listitem>
3635 </itemizedlist>
3636 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
3637
3638 </sect2>
3639
3640 </sect1>
3641
3642 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
3643
3644 <sect1 id="rewrite-rules">
3645 <title>Rewrite rules
3646
3647 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
3648 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
3649 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
3650
3651 <para>
3652 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
3653 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
3654 </para>
3655
3656 <para>
3657 Here is an example:
3658
3659 <programlisting>
3660   {-# RULES
3661         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
3662   #-}
3663 </programlisting>
3664
3665 </para>
3666
3667 <sect2>
3668 <title>Syntax</title>
3669
3670 <para>
3671 From a syntactic point of view:
3672
3673 <itemizedlist>
3674 <listitem>
3675
3676 <para>
3677  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
3678 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
3679 </para>
3680 </listitem>
3681 <listitem>
3682
3683 <para>
3684  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3685 </para>
3686 </listitem>
3687 <listitem>
3688
3689 <para>
3690  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3691 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3692 enclosing definitions.
3693 </para>
3694 </listitem>
3695 <listitem>
3696
3697 <para>
3698  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3699 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3700 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3701 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3702 </para>
3703 </listitem>
3704 <listitem>
3705
3706 <para>
3707  A pattern variable may optionally have a type signature.
3708 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3709 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3710
3711 <programlisting>
3712 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3713               foldr k z (build g) = g k z
3714 </programlisting>
3715
3716 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3717
3718 </para>
3719 </listitem>
3720 <listitem>
3721
3722 <para>
3723 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3724 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3725
3726 <programlisting>
3727 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3728 "wrong2"   forall f.      f True = True
3729 </programlisting>
3730
3731 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3732 in the head.
3733 </para>
3734 </listitem>
3735 <listitem>
3736
3737 <para>
3738  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3739 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3740 </para>
3741 </listitem>
3742 <listitem>
3743
3744 <para>
3745  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3746 </para>
3747 </listitem>
3748
3749 </itemizedlist>
3750
3751 </para>
3752
3753 </sect2>
3754
3755 <sect2>
3756 <title>Semantics</title>
3757
3758 <para>
3759 From a semantic point of view:
3760
3761 <itemizedlist>
3762 <listitem>
3763
3764 <para>
3765 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3766 </para>
3767 </listitem>
3768
3769 <listitem>
3770 <para>
3771  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3772 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3773 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3774 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3775 expression by substituting for the pattern variables.
3776
3777 </para>
3778 </listitem>
3779 <listitem>
3780
3781 <para>
3782  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3783 same type.
3784
3785 </para>
3786 </listitem>
3787 <listitem>
3788
3789 <para>
3790  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3791 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3792 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3793
3794 </para>
3795 </listitem>
3796 <listitem>
3797
3798 <para>
3799  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3800 terminating.  For example:
3801
3802 <programlisting>
3803   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3804 </programlisting>
3805
3806 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3807
3808 </para>
3809 </listitem>
3810 <listitem>
3811
3812 <para>
3813  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3814
3815 </para>
3816 </listitem>
3817 <listitem>
3818 <para>
3819  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3820 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3821 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3822 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3823 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3824 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3825 </para>
3826
3827 <para>
3828 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3829 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3830 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3831 </para>
3832 </listitem>
3833 <listitem>
3834
3835 <para>
3836  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3837 For example, consider:
3838
3839 <programlisting>
3840   let s = map f
3841       t = map g
3842   in
3843   s (t xs)
3844 </programlisting>
3845
3846 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3847 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3848 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3849 not be substituted, and the rule would not fire.
3850
3851 </para>
3852 </listitem>
3853 <listitem>
3854
3855 <para>
3856  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3857 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3858 for something you can't match against it (given the simple minded
3859 matching).  So if you write the rule
3860
3861 <programlisting>
3862         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3863 </programlisting>
3864
3865 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3866 It will only match something written with explicit use of ".".
3867 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3868
3869 <programlisting>
3870 wibble f g xs
3871 </programlisting>
3872
3873 where <function>wibble</function> is defined:
3874
3875 <programlisting>
3876 wibble f g = map f . map g
3877 </programlisting>
3878
3879 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3880
3881 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3882 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3883 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3884
3885 </para>
3886 </listitem>
3887 <listitem>
3888
3889 <para>
3890  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3891 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3892 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3893 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3894 declarations.
3895 </para>
3896 </listitem>
3897
3898 </itemizedlist>
3899
3900 </para>
3901
3902 </sect2>
3903
3904 <sect2>
3905 <title>List fusion</title>
3906
3907 <para>
3908 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3909 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3910 intermediate list should be eliminated entirely.
3911 </para>
3912
3913 <para>
3914 The following are good producers:
3915
3916 <itemizedlist>
3917 <listitem>
3918
3919 <para>
3920  List comprehensions
3921 </para>
3922 </listitem>
3923 <listitem>
3924
3925 <para>
3926  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3927 </para>
3928 </listitem>
3929 <listitem>
3930
3931 <para>
3932  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3933 </para>
3934 </listitem>
3935 <listitem>
3936
3937 <para>
3938  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3939 </para>
3940 </listitem>
3941 <listitem>
3942
3943 <para>
3944  <function>++</function>
3945 </para>
3946 </listitem>
3947
3948 <listitem>
3949 <para>
3950  <function>map</function>
3951 </para>
3952 </listitem>
3953
3954 <listitem>
3955 <para>
3956  <function>filter</function>
3957 </para>
3958 </listitem>
3959 <listitem>
3960
3961 <para>
3962  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3963 </para>
3964 </listitem>
3965 <listitem>
3966
3967 <para>
3968  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3969 </para>
3970 </listitem>
3971
3972 </itemizedlist>
3973
3974 </para>
3975
3976 <para>
3977 The following are good consumers:
3978
3979 <itemizedlist>
3980 <listitem>
3981
3982 <para>
3983  List comprehensions
3984 </para>
3985 </listitem>
3986 <listitem>
3987
3988 <para>
3989  <function>array</function> (on its second argument)
3990 </para>
3991 </listitem>
3992 <listitem>
3993
3994 <para>
3995  <function>length</function>
3996 </para>
3997 </listitem>
3998 <listitem>
3999
4000 <para>
4001  <function>++</function> (on its first argument)
4002 </para>
4003 </listitem>
4004
4005 <listitem>
4006 <para>
4007  <function>foldr</function>
4008 </para>
4009 </listitem>
4010
4011 <listitem>
4012 <para>
4013  <function>map</function>
4014 </para>
4015 </listitem>
4016 <listitem>
4017
4018 <para>
4019  <function>filter</function>
4020 </para>
4021 </listitem>
4022 <listitem>
4023
4024 <para>
4025  <function>concat</function>
4026 </para>
4027 </listitem>
4028 <listitem>
4029
4030 <para>
4031  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
4032 </para>
4033 </listitem>
4034 <listitem>
4035
4036 <para>
4037  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
4038 will fuse with one but not the other)
4039 </para>
4040 </listitem>
4041 <listitem>
4042
4043 <para>
4044  <function>partition</function>
4045 </para>
4046 </listitem>
4047 <listitem>
4048
4049 <para>
4050  <function>head</function>
4051 </para>
4052 </listitem>
4053 <listitem>
4054
4055 <para>
4056  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
4057 </para>
4058 </listitem>
4059 <listitem>
4060
4061 <para>
4062  <function>sequence&lowbar;</function>
4063 </para>
4064 </listitem>
4065 <listitem>
4066
4067 <para>
4068  <function>msum</function>
4069 </para>
4070 </listitem>
4071 <listitem>
4072
4073 <para>
4074  <function>sortBy</function>
4075 </para>
4076 </listitem>
4077
4078 </itemizedlist>
4079
4080 </para>
4081
4082 <para>
4083 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
4084
4085 <programlisting>
4086 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
4087 </programlisting>
4088
4089 </para>
4090
4091 <para>
4092 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
4093 a lot which are not included, please tell us.
4094 </para>
4095
4096 <para>
4097 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
4098 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
4099 </para>
4100
4101 </sect2>
4102
4103 <sect2 id="rule-spec">
4104 <title>Specialisation
4105 </title>
4106
4107 <para>
4108 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
4109 present in earlier version of GHC:
4110
4111 <programlisting>
4112   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
4113 </programlisting>
4114
4115 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
4116 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
4117 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
4118 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
4119 </para>
4120
4121 <para>
4122 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
4123 same thing:
4124
4125 <programlisting>
4126 {-# RULES
4127   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
4128 #-}
4129 </programlisting>
4130
4131 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
4132 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
4133 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
4134
4135 <programlisting>
4136 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
4137         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
4138 </programlisting>
4139
4140 What is more,
4141 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
4142 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
4143 have an original definition available to specialise).
4144 </para>
4145
4146 </sect2>
4147
4148 <sect2>
4149 <title>Controlling what's going on</title>
4150
4151 <para>
4152
4153 <itemizedlist>
4154 <listitem>
4155
4156 <para>
4157  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
4158 </para>
4159 </listitem>
4160 <listitem>
4161
4162 <para>
4163  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
4164 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
4165 </para>
4166 </listitem>
4167 <listitem>
4168
4169 <para>
4170  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
4171
4172 <programlisting>
4173         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
4174         {-# INLINE build #-}
4175         build g = g (:) []
4176 </programlisting>
4177
4178 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
4179 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
4180 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
4181 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
4182
4183 </para>
4184 </listitem>
4185 <listitem>
4186
4187 <para>
4188  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
4189 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
4190 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
4191 </para>
4192 </listitem>
4193
4194 </itemizedlist>
4195
4196 </para>
4197
4198 </sect2>
4199
4200 </sect1>
4201
4202 <sect1 id="generic-classes">
4203 <title>Generic classes</title>
4204
4205     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
4206     GHC 5.02).</para>
4207
4208 <para>
4209 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
4210 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
4211 An example will give the idea:
4212 </para>
4213
4214 <programlisting>
4215   import Generics
4216
4217   class Bin a where
4218     toBin   :: a -> [Int]
4219     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
4220   
4221     toBin {| Unit |}    Unit      = []
4222     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
4223     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
4224     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
4225   
4226     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
4227     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
4228     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
4229     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
4230                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
4231 </programlisting>
4232 <para>
4233 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
4234 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
4235 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
4236 </para>
4237 <programlisting>
4238   data Unit    = Unit
4239   data a :+: b = Inl a | Inr b
4240   data a :*: b = a :*: b
4241 </programlisting>
4242 <para>
4243 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
4244 <programlisting>
4245   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
4246   instance Bin a => Bin [a]
4247 </programlisting>
4248 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
4249 where clause and over-ride whichever methods you please.
4250 </para>
4251
4252     <sect2>
4253       <title> Using generics </title>
4254       <para>To use generics you need to</para>
4255       <itemizedlist>
4256         <listitem>
4257           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
4258                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
4259                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
4260                 available.  </para>
4261         </listitem>
4262         <listitem>
4263           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
4264           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
4265           scope the data types <literal>Unit</literal>,
4266           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
4267           don't need this import if you don't mention these types
4268           explicitly; for example, if you are simply giving instance
4269           declarations.)</para>
4270         </listitem>
4271       </itemizedlist>
4272     </sect2>
4273
4274 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
4275 <para>
4276 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
4277 can be written infix (indeed, you can now use
4278 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
4279 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
4280 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
4281 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
4282 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
4283 anticipate wanting).
4284 </para>
4285 </sect2>
4286
4287 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
4288 <para>
4289 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
4290 is one that is defined using type patterns as above.
4291 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
4292 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
4293 generic default method.
4294 </para>
4295
4296 <para>
4297 Restrictions:
4298 <itemizedlist>
4299 <listitem>
4300 <para>
4301 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
4302 field labels.
4303 </para>
4304 </listitem>
4305
4306 <listitem>
4307 <para>
4308 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
4309 multi-parameter class.
4310 </para>
4311 </listitem>
4312
4313 <listitem>
4314 <para>
4315 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
4316 without.  So this is illegal:
4317 <programlisting>
4318   class Foo a where
4319     op :: a -> (a, Bool)
4320     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
4321     op x               = (x,    False)
4322 </programlisting>
4323 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
4324 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
4325 </para>
4326 </listitem>
4327
4328 <listitem>
4329 <para>
4330 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
4331 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:
4332 <programlisting>
4333   class Foo a where
4334     op :: a -> Bool
4335     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
4336     ...
4337 </programlisting>
4338 </para>
4339 </listitem>
4340
4341 <listitem>
4342 <para>
4343 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
4344 <programlisting>
4345        a :+: b
4346        a :*: b
4347        Unit
4348 </programlisting>
4349 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
4350 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
4351 must use the same type variables.  So this is illegal:
4352 <programlisting>
4353   class Foo a where
4354     op :: a -> Bool
4355     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
4356     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
4357 </programlisting>
4358 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
4359 So this too is illegal:
4360 <programlisting>
4361   class Foo a where
4362     op1 :: a -> Bool
4363     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
4364
4365     op2 :: a -> Bool
4366     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
4367 </programlisting>
4368 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
4369 into a single generic instance declaration.)
4370 </para>
4371 </listitem>
4372
4373 <listitem>
4374 <para>
4375 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
4376 </para>
4377 </listitem>
4378
4379 <listitem>
4380 <para>
4381 The type for a generic method can be built only from:
4382   <itemizedlist>
4383   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
4384   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
4385   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
4386   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
4387   </itemizedlist>
4388 Here are some example type signatures for generic methods:
4389 <programlisting>
4390     op1 :: a -> Bool
4391     op2 :: Bool -> (a,Bool)
4392     op3 :: [Int] -> a -> a
4393     op4 :: [a] -> Bool
4394 </programlisting>
4395 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
4396 inside a list.  
4397 </para>
4398 <para>
4399 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
4400 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
4401 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
4402 to the ones that are allowed.</para>
4403 </listitem>
4404
4405 <listitem>
4406 <para>
4407 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
4408 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
4409 do so if
4410   <itemizedlist>
4411   <listitem>
4412   <para>
4413   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
4414   </para>
4415   </listitem>
4416   <listitem>
4417   <para>
4418   No constructor of the instance type has unboxed fields.
4419   </para>
4420   </listitem>
4421   </itemizedlist>
4422 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
4423 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
4424 provided you give explicit code to override any generic default methods.
4425 </para>
4426 </listitem>
4427
4428 </itemizedlist>
4429 </para>
4430
4431 <para>
4432 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
4433 what the compiler does with generic declarations.
4434 </para>
4435
4436 </sect2>
4437
4438 <sect2> <title> Another example </title>
4439 <para>
4440 Just to finish with, here's another example I rather like:
4441 <programlisting>
4442   class Tag a where
4443     nCons :: a -> Int
4444     nCons {| Unit |}    _ = 1
4445     nCons {| a :*: b |} _ = 1
4446     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
4447   
4448     tag :: a -> Int
4449     tag {| Unit |}    _       = 1
4450     tag {| a :*: b |} _       = 1   
4451     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
4452     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
4453 </programlisting>
4454 </para>
4455 </sect2>
4456 </sect1>
4457
4458
4459
4460 <!-- Emacs stuff:
4461      ;;; Local Variables: ***
4462      ;;; mode: sgml ***
4463      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
4464      ;;; End: ***
4465  -->