[project @ 2002-02-04 12:14:50 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 Executive summary of our extensions:
20 </para>
21
22   <variablelist>
23
24     <varlistentry>
25       <term>Unboxed types and primitive operations:</Term>
26       <listitem>
27         <para>You can get right down to the raw machine types and
28         operations; included in this are &ldquo;primitive
29         arrays&rdquo; (direct access to Big Wads of Bytes).  Please
30         see <XRef LinkEnd="glasgow-unboxed"> and following.</para>
31       </listitem>
32     </varlistentry>
33
34     <varlistentry>
35       <term>Type system extensions:</term>
36       <listitem>
37         <para> GHC supports a large number of extensions to Haskell's
38         type system.  Specifically:</para>
39
40         <variablelist>
41           <varlistentry>
42             <term>Multi-parameter type classes:</term>
43             <listitem>
44               <para><xref LinkEnd="multi-param-type-classes"></para>
45             </listitem>
46           </varlistentry>
47
48           <varlistentry>
49             <term>Functional dependencies:</term>
50             <listitem>
51               <para><xref LinkEnd="functional-dependencies"></para>
52             </listitem>
53           </varlistentry>
54
55           <varlistentry>
56             <term>Implicit parameters:</term>
57             <listitem>
58               <para><xref LinkEnd="implicit-parameters"></para>
59             </listitem>
60           </varlistentry>
61
62           <varlistentry>
63             <term>Linear implicit parameters:</term>
64             <listitem>
65               <para><xref LinkEnd="linear-implicit-parameters"></para>
66             </listitem>
67           </varlistentry>
68
69           <varlistentry>
70             <term>Local universal quantification:</term>
71             <listitem>
72               <para><xref LinkEnd="universal-quantification"></para>
73             </listitem>
74           </varlistentry>
75
76           <varlistentry>
77             <term>Extistentially quantification in data types:</term>
78             <listitem>
79               <para><xref LinkEnd="existential-quantification"></para>
80             </listitem>
81           </varlistentry>
82
83           <varlistentry>
84             <term>Scoped type variables:</term>
85             <listitem>
86               <para>Scoped type variables enable the programmer to
87               supply type signatures for some nested declarations,
88               where this would not be legal in Haskell 98.  Details in
89               <xref LinkEnd="scoped-type-variables">.</para>
90             </listitem>
91           </varlistentry>
92         </variablelist>
93       </listitem>
94     </varlistentry>
95
96     <varlistentry>
97       <term>Pattern guards</term>
98       <listitem>
99         <para>Instead of being a boolean expression, a guard is a list
100         of qualifiers, exactly as in a list comprehension. See <xref
101         LinkEnd="pattern-guards">.</para>
102       </listitem>
103     </varlistentry>
104
105     <varlistentry>
106       <term>Data types with no constructors</term>
107       <listitem>
108         <para>See <xref LinkEnd="nullary-types">.</para>
109       </listitem>
110     </varlistentry>
111
112     <varlistentry>
113       <term>Parallel list comprehensions</term>
114       <listitem>
115         <para>An extension to the list comprehension syntax to support
116         <literal>zipWith</literal>-like functionality.  See <xref
117         linkend="parallel-list-comprehensions">.</para>
118       </listitem>
119     </varlistentry>
120
121     <varlistentry>
122       <term>Foreign calling:</term>
123       <listitem>
124         <para>Just what it sounds like.  We provide
125         <emphasis>lots</emphasis> of rope that you can dangle around
126         your neck.  Please see <xref LinkEnd="ffi">.</para>
127       </listitem>
128     </varlistentry>
129
130     <varlistentry>
131       <term>Pragmas</term>
132       <listitem>
133         <para>Pragmas are special instructions to the compiler placed
134         in the source file.  The pragmas GHC supports are described in
135         <xref LinkEnd="pragmas">.</para>
136       </listitem>
137     </varlistentry>
138
139     <varlistentry>
140       <term>Rewrite rules:</term>
141       <listitem>
142         <para>The programmer can specify rewrite rules as part of the
143         source program (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules
144         wherever it can.  Details in <xref
145         LinkEnd="rewrite-rules">.</para>
146       </listitem>
147     </varlistentry>
148
149     <varlistentry>
150       <term>Generic classes:</term>
151       <listitem>
152         <para>(Note: support for generic classes is currently broken
153         in GHC 5.02).</para>
154
155         <para>Generic class declarations allow you to define a class
156         whose methods say how to work over an arbitrary data type.
157         Then it's really easy to make any new type into an instance of
158         the class.  This generalises the rather ad-hoc "deriving"
159         feature of Haskell 98.  Details in <xref
160         LinkEnd="generic-classes">.</para>
161       </listitem>
162     </varlistentry>
163   </variablelist>
164
165 <para>
166 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
167 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
168 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
169 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  See
170 <xref linkend="book-hslibs">.
171 </para>
172
173   <sect1 id="options-language">
174     <title>Language options</title>
175
176     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
177     </indexterm>
178     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
179     </indexterm>
180     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
181     </indexterm>
182
183     <para> These flags control what variation of the language are
184     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
185     98.</para>
186
187     <variablelist>
188
189       <varlistentry>
190         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
191         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
192         <listitem>
193           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
194           Haskell 98 described in <xref
195           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
196           noted. </para>
197         </listitem>
198       </varlistentry>
199
200       <varlistentry>
201         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
202         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
203         <listitem>
204           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
205           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
206           flag. </para>
207         </listitem>
208       </varlistentry>
209
210       <varlistentry>
211         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
212         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
213         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
214         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
215         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
216         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
217         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
218         <listitem>
219           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
220           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
221         </listitem>
222       </varlistentry>
223
224       <varlistentry>
225         <term><option>-finline-phase</option></term>
226         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
227         <listitem>
228           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
229           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
230         </listitem>
231       </varlistentry>
232
233       <varlistentry>
234         <term><option>-fgenerics</option></term>
235         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
236         <listitem>
237           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
238           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
239         </listitem>
240       </varlistentry>
241
242         <varlistentry>
243           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
244           <listitem>
245             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
246             option</primary></indexterm> GHC normally imports
247             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
248             rather it didn't, then give it a
249             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
250             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
251             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
252             module namespace is flat, and you must not conflict with
253             any Prelude module.)</para>
254
255             <para>Even though you have not imported the Prelude, all
256             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
257             Prelude types and values, as specified by the Haskell
258             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
259             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
260             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
261             translation for list comprehensions continues to use
262             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
263
264             <para> With one group of exceptions!  You may want to
265             define your own numeric class hierarchy.  It completely
266             defeats that purpose if the literal "1" means
267             "<literal>Prelude.fromInteger 1</literal>", which is what
268             the Haskell Report specifies.  So the
269             <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes the
270             following pieces of built-in syntax to refer to <emphasis>whatever
271             is in scope</emphasis>, not the Prelude versions:</para>
272
273             <itemizedlist>
274               <listitem>
275                 <para>Integer and fractional literals mean
276                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
277                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
278                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
279                 patterns.</para>
280               </listitem>
281
282               <listitem>
283                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
284                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
285                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
286               </listitem>
287
288               <listitem>
289                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
290                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
291                 but the necessary subtraction uses whatever
292                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
293                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
294               </listitem>
295             </itemizedlist>
296
297              <para>Note: Negative literals, such as <literal>-3</literal>, are
298              specified by (a careful reading of) the Haskell Report as 
299              meaning <literal>Prelude.negate (Prelude.fromInteger 3)</literal>.
300              However, GHC deviates from this slightly, and treats them as meaning
301              <literal>fromInteger (-3)</literal>.  One particular effect of this
302              slightly-non-standard reading is that there is no difficulty with
303              the literal <literal>-2147483648</literal> at type <literal>Int</literal>;
304              it means <literal>fromInteger (-2147483648)</literal>.  The strict interpretation
305              would be <literal>negate (fromInteger 2147483648)</literal>,
306              and the call to <literal>fromInteger</literal> would overflow
307              (at type <literal>Int</literal>, remember).
308              </para>
309
310           </listitem>
311         </varlistentry>
312
313     </variablelist>
314   </sect1>
315
316 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
317 &primitives;
318
319 <sect1 id="glasgow-ST-monad">
320 <title>Primitive state-transformer monad</title>
321
322 <para>
323 <indexterm><primary>state transformers (Glasgow extensions)</primary></indexterm>
324 <indexterm><primary>ST monad (Glasgow extension)</primary></indexterm>
325 </para>
326
327 <para>
328 This monad underlies our implementation of arrays, mutable and
329 immutable, and our implementation of I/O, including &ldquo;C calls&rdquo;.
330 </para>
331
332 <para>
333 The <literal>ST</literal> library, which provides access to the
334 <function>ST</function> monad, is described in <xref
335 linkend="sec-ST">.
336 </para>
337
338 </sect1>
339
340 <sect1 id="glasgow-prim-arrays">
341 <title>Primitive arrays, mutable and otherwise
342 </title>
343
344 <para>
345 <indexterm><primary>primitive arrays (Glasgow extension)</primary></indexterm>
346 <indexterm><primary>arrays, primitive (Glasgow extension)</primary></indexterm>
347 </para>
348
349 <para>
350 GHC knows about quite a few flavours of Large Swathes of Bytes.
351 </para>
352
353 <para>
354 First, GHC distinguishes between primitive arrays of (boxed) Haskell
355 objects (type <literal>Array&num; obj</literal>) and primitive arrays of bytes (type
356 <literal>ByteArray&num;</literal>).
357 </para>
358
359 <para>
360 Second, it distinguishes between&hellip;
361 <variablelist>
362
363 <varlistentry>
364 <term>Immutable:</term>
365 <listitem>
366 <para>
367 Arrays that do not change (as with &ldquo;standard&rdquo; Haskell arrays); you
368 can only read from them.  Obviously, they do not need the care and
369 attention of the state-transformer monad.
370 </para>
371 </listitem>
372 </varlistentry>
373 <varlistentry>
374 <term>Mutable:</term>
375 <listitem>
376 <para>
377 Arrays that may be changed or &ldquo;mutated.&rdquo;  All the operations on them
378 live within the state-transformer monad and the updates happen
379 <emphasis>in-place</emphasis>.
380 </para>
381 </listitem>
382 </varlistentry>
383 <varlistentry>
384 <term>&ldquo;Static&rdquo; (in C land):</term>
385 <listitem>
386 <para>
387 A C routine may pass an <literal>Addr&num;</literal> pointer back into Haskell land.  There
388 are then primitive operations with which you may merrily grab values
389 over in C land, by indexing off the &ldquo;static&rdquo; pointer.
390 </para>
391 </listitem>
392 </varlistentry>
393 <varlistentry>
394 <term>&ldquo;Stable&rdquo; pointers:</term>
395 <listitem>
396 <para>
397 If, for some reason, you wish to hand a Haskell pointer (i.e.,
398 <emphasis>not</emphasis> an unboxed value) to a C routine, you first make the
399 pointer &ldquo;stable,&rdquo; so that the garbage collector won't forget that it
400 exists.  That is, GHC provides a safe way to pass Haskell pointers to
401 C.
402 </para>
403
404 <para>
405 Please see <xref LinkEnd="sec-stable-pointers"> for more details.
406 </para>
407 </listitem>
408 </varlistentry>
409 <varlistentry>
410 <term>&ldquo;Foreign objects&rdquo;:</term>
411 <listitem>
412 <para>
413 A &ldquo;foreign object&rdquo; is a safe way to pass an external object (a
414 C-allocated pointer, say) to Haskell and have Haskell do the Right
415 Thing when it no longer references the object.  So, for example, C
416 could pass a large bitmap over to Haskell and say &ldquo;please free this
417 memory when you're done with it.&rdquo;
418 </para>
419
420 <para>
421 Please see <xref LinkEnd="sec-ForeignObj"> for more details.
422 </para>
423 </listitem>
424 </varlistentry>
425 </variablelist>
426 </para>
427
428 <para>
429 The libraries documentatation gives more details on all these
430 &ldquo;primitive array&rdquo; types and the operations on them.
431 </para>
432
433 </sect1>
434
435
436 <sect1 id="nullary-types">
437 <title>Data types with no constructors</title>
438
439 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
440 a data type with no constructors.  For example:</para>
441 <programlisting>
442   data S      -- S :: *
443   data T a    -- T :: * -> *
444 </programlisting>
445 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
446 type can be parameterised, but only over ordinary types, of kind *; since
447 Haskell does not have kind signatures, you cannot parameterise over higher-kinded
448 types.</para>
449
450 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
451 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
452 </sect1>
453
454 <sect1 id="pattern-guards">
455 <title>Pattern guards</title>
456
457 <para>
458 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
459 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.)
460 </para>
461
462 <para>
463 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
464 lookup operation:
465
466 <programlisting>
467 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
468 </programlisting>
469
470 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
471 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
472 </para>
473
474 <programlisting>
475 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
476 | otherwise  = var1 + var2
477 where
478   m1 = lookup env var1
479   m2 = lookup env var2
480   ok1 = maybeToBool m1
481   ok2 = maybeToBool m2
482   val1 = expectJust m1
483   val2 = expectJust m2
484 </programlisting>
485
486 <para>
487 The auxiliary functions are 
488 </para>
489
490 <programlisting>
491 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
492 maybeToBool (Just x) = True
493 maybeToBool Nothing  = False
494
495 expectJust :: Maybe a -&gt; a
496 expectJust (Just x) = x
497 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
498 </programlisting>
499
500 <para>
501 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
502 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
503 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
504 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
505 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
506 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
507 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
508 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
509 </para>
510
511 <para>
512 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
513 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
514 to write clunky would be to use case expressions:
515 </para>
516
517 <programlisting>
518 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
519   Nothing -&gt; fail
520   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
521     Nothing -&gt; fail
522     Just val2 -&gt; val1 + val2
523 where
524   fail = val1 + val2
525 </programlisting>
526
527 <para>
528 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
529 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
530 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
531 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
532 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
533 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
534 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
535 tends to become more and more indented. 
536 </para>
537
538 <para>
539 Here is how I would write clunky:
540 </para>
541
542 <programlisting>
543 clunky env var1 var1
544   | Just val1 &lt;- lookup env var1
545   , Just val2 &lt;- lookup env var2
546   = val1 + val2
547 ...other equations for clunky...
548 </programlisting>
549
550 <para>
551 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
552 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
553 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
554 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
555 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
556 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
557 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
558 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
559 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
560 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
561 </para>
562
563 <para>
564 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
565 with among the pattern guards.  For example:
566 </para>
567
568 <programlisting>
569 f x | [y] <- x
570     , y > 3
571     , Just z <- h y
572     = ...
573 </programlisting>
574
575 <para>
576 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
577 qualifier list has just one element, a boolean expression.
578 </para>
579 </sect1>
580
581   <sect1 id="parallel-list-comprehensions">
582     <title>Parallel List Comprehensions</title>
583     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
584     </indexterm>
585     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
586     </indexterm>
587
588     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
589     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
590     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
591     extend this to include the zipWith family.</para>
592
593     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
594     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
595     example, the following zips together two lists:</para>
596
597 <programlisting>
598    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
599 </programlisting>
600
601     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
602     zip, in that the resulting list will have the same length as the
603     shortest branch.</para>
604
605     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
606     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
607
608     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
609
610 <programlisting>
611    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
612        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
613        ... 
614    ] 
615 </programlisting>
616
617     <para>This will be translated to: </para>
618
619 <programlisting>
620    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
621                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
622                                          ... 
623    ] 
624 </programlisting>
625
626     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
627     branches.</para>
628
629   </sect1>
630
631 <sect1 id="multi-param-type-classes">
632 <title>Multi-parameter type classes
633 </title>
634
635 <para>
636 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
637 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
638 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
639 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
640 Jones, Erik Meijer).
641 </para>
642
643 <para>
644 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
645 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
646 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
647 examples to support several generalisations.  (These appear below as
648 design choices not implemented in 3.02.)
649 </para>
650
651 <para>
652 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
653 will migrate towards the same design choices as I outline here.
654 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
655 feedback.
656 </para>
657
658 <sect2>
659 <title>Types</title>
660
661 <para>
662 There are the following restrictions on the form of a qualified
663 type:
664 </para>
665
666 <para>
667
668 <programlisting>
669   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
670 </programlisting>
671
672 </para>
673
674 <para>
675 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
676 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
677 explicit source-language type signature are universally quantified,
678 except for the class type variables in a class declaration.  However,
679 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
680 </para>
681
682 <para>
683
684 <OrderedList>
685 <listitem>
686
687 <para>
688  <emphasis>Each universally quantified type variable
689 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
690
691 The reason for this is that a value with a type that does not obey
692 this restriction could not be used without introducing
693 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
694
695
696 <programlisting>
697   forall a. Eq a => Int
698 </programlisting>
699
700
701 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
702 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
703 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
704 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
705 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
706 get any more information about <literal>tv</literal>.
707
708 </para>
709 </listitem>
710 <listitem>
711
712 <para>
713  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
714 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
715
716 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
717 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
718
719
720 <programlisting>
721   forall a. C a b => burble
722 </programlisting>
723
724
725 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
726 mention <literal>a</literal>:
727
728
729 <programlisting>
730   forall a. Eq b => burble
731 </programlisting>
732
733
734 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
735 excluded types are never useful or necessary (because the offending
736 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
737 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
738 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
739 territory free in case we need it later.
740
741 </para>
742 </listitem>
743
744 </OrderedList>
745
746 </para>
747
748 <para>
749 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
750 or inferred.
751 </para>
752
753 <para>
754 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
755 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
756 are perfectly OK
757 </para>
758
759 <para>
760
761 <programlisting>
762   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
763   g :: Eq [a] => ...
764 </programlisting>
765
766 </para>
767
768 <para>
769 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
770 </para>
771
772 </sect2>
773
774 <sect2>
775 <title>Class declarations</title>
776
777 <para>
778
779 <OrderedList>
780 <listitem>
781
782 <para>
783  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
784
785
786 <programlisting>
787   class Collection c a where
788     union :: c a -> c a -> c a
789     ...etc.
790 </programlisting>
791
792
793
794 </para>
795 </listitem>
796 <listitem>
797
798 <para>
799  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
800 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
801 this is OK:
802
803
804 <programlisting>
805   class C a where {
806     op :: D b => a -> b -> b
807   }
808
809   class C a => D a where { ... }
810 </programlisting>
811
812
813 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
814 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
815 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
816
817 </para>
818 </listitem>
819 <listitem>
820
821 <para>
822  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
823 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
824 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
825
826
827 <programlisting>
828   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
829     ...
830
831   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
832     lift :: m a -> (t m) a
833 </programlisting>
834
835
836 </para>
837 </listitem>
838 <listitem>
839
840 <para>
841  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
842 must mention at least one type variable that is not a class type
843 variable</emphasis>.
844
845 Thus:
846
847
848 <programlisting>
849   class Collection c a where
850     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
851 </programlisting>
852
853
854 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
855 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
856 <literal>a</literal>.  On the other hand:
857
858
859 <programlisting>
860   class C a where
861     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
862 </programlisting>
863
864
865 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
866 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
867 example is easily fixed by moving the offending context up to the
868 superclass context:
869
870
871 <programlisting>
872   class Eq a => C a where
873     op ::(a,b) -> (a,b)
874 </programlisting>
875
876
877 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
878 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
879 Rule 1(b) for types above.
880
881 </para>
882 </listitem>
883 <listitem>
884
885 <para>
886  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
887 the class type variables</emphasis>.  For example:
888
889
890 <programlisting>
891   class Coll s a where
892     empty  :: s
893     insert :: s -> a -> s
894 </programlisting>
895
896
897 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
898 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
899 types, and has the same motivation.
900
901 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
902 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
903
904
905 <programlisting>
906   class Coll s a where
907     empty  :: s a
908     insert :: s a -> a -> s a
909 </programlisting>
910
911
912 which makes the connection between the type of a collection of
913 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
914 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
915 class like this:
916
917
918 <programlisting>
919   class CollE s where
920     empty  :: s
921
922   class CollE s => Coll s a where
923     insert :: s -> a -> s
924 </programlisting>
925
926
927 </para>
928 </listitem>
929
930 </OrderedList>
931
932 </para>
933
934 </sect2>
935
936 <sect2 id="instance-decls">
937 <title>Instance declarations</title>
938
939 <para>
940
941 <OrderedList>
942 <listitem>
943
944 <para>
945  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
946 declarations
947
948
949 <programlisting>
950   instance context1 => C type1 where ...
951   instance context2 => C type2 where ...
952 </programlisting>
953
954
955 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
956
957 However, if you give the command line option
958 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
959 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
960 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
961 if another instance declaration also applies, either now or later.
962
963 <itemizedlist>
964 <listitem>
965
966 <para>
967  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
968 </para>
969 </listitem>
970 <listitem>
971
972 <para>
973  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
974 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
975 </para>
976 </listitem>
977 </itemizedlist>
978 Notice that these rules
979 <itemizedlist>
980 <listitem>
981
982 <para>
983  make it clear which instance decl to use
984 (pick the most specific one that matches)
985
986 </para>
987 </listitem>
988 <listitem>
989
990 <para>
991  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
992 Reason: you can pick which instance decl
993 "matches" based on the type.
994 </para>
995 </listitem>
996
997 </itemizedlist>
998 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
999 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1000 <programlisting>
1001   instance C (Int,a) where ...
1002   instance C (a,Bool) where ...
1003 </programlisting>
1004 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1005 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1006 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1007 </para>
1008 <para>
1009 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1010 <programlisting>
1011   class C a where { op :: a -> a }
1012   instance C [Int] where ...
1013   instance C a => C [a] where ...
1014   
1015   f :: C b => [b] -> [b]
1016   f x = op x
1017 </programlisting>
1018 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1019 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1020 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1021 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1022 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1023 the problem of subsequent instantiations.
1024 </para>
1025 <para>
1026 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1027 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1028 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1029 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1030 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1031 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1032 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1033 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1034
1035 </para>
1036 </listitem>
1037 <listitem>
1038
1039 <para>
1040  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1041 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1042 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1043 example, these are OK:
1044
1045
1046 <programlisting>
1047   instance C Int a where ...
1048
1049   instance D (Int, Int) where ...
1050
1051   instance E [[a]] where ...
1052 </programlisting>
1053
1054
1055 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1056 For example, this is OK:
1057
1058
1059 <programlisting>
1060   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1061 </programlisting>
1062
1063
1064 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1065 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1066 constructor.  For example, the following would make the type checker
1067 loop if it wasn't excluded:
1068
1069
1070 <programlisting>
1071   instance C a => C a where ...
1072 </programlisting>
1073
1074
1075 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1076 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1077 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1078 something more specific does not:
1079
1080
1081 <programlisting>
1082   instance C a where
1083     op = ... -- Default
1084 </programlisting>
1085
1086
1087 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1088 effect of a "class synonym":
1089
1090
1091 <programlisting>
1092   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1093
1094   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1095 </programlisting>
1096
1097
1098 This allows you to write shorter signatures:
1099
1100
1101 <programlisting>
1102   f :: C a => ...
1103 </programlisting>
1104
1105
1106 instead of
1107
1108
1109 <programlisting>
1110   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1111 </programlisting>
1112
1113
1114 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1115 allowing these idioms.  The experimental flag
1116 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1117 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1118 instance head to be type variables.
1119
1120 </para>
1121 </listitem>
1122 <listitem>
1123
1124 <para>
1125  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1126 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1127 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1128
1129
1130 <programlisting>
1131   type Point = (Int,Int)
1132   instance C Point   where ...
1133   instance C [Point] where ...
1134 </programlisting>
1135
1136
1137 is legal.  However, if you added
1138
1139
1140 <programlisting>
1141   instance C (Int,Int) where ...
1142 </programlisting>
1143
1144
1145 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1146 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1147 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1148
1149
1150 <programlisting>
1151   type P a = [[a]]
1152   instance Monad P where ...
1153 </programlisting>
1154
1155
1156 This design decision is independent of all the others, and easily
1157 reversed, but it makes sense to me.
1158
1159 </para>
1160 </listitem>
1161 <listitem>
1162
1163 <para>
1164 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1165 be type variables</emphasis>. Thus
1166
1167
1168 <programlisting>
1169 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1170 </programlisting>
1171
1172
1173 is OK, but
1174
1175
1176 <programlisting>
1177 instance C Int b => Foo b where ...
1178 </programlisting>
1179
1180
1181 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1182 reduction terminates.
1183
1184 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1185 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1186 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1187 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1188 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1189 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1190 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1191
1192 </para>
1193 </listitem>
1194
1195 </OrderedList>
1196
1197 </para>
1198
1199 </sect2>
1200
1201 </sect1>
1202
1203 <sect1 id="implicit-parameters">
1204 <title>Implicit parameters
1205 </title>
1206
1207 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1208 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1209 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1210 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1211 Boston, Jan 2000.
1212 </para>
1213 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
1214 <para>
1215 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1216 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1217 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1218 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1219 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1220 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1221 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1222 only support static scoping of variables.
1223 </para>
1224 <para>
1225 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1226 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1227 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1228 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1229 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1230 of type <literal>t'</literal>". For
1231 example, the following expresses the type of a sort function,
1232 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1233 <programlisting>
1234   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1235 </programlisting>
1236 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1237 </para>
1238 <para>
1239 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
1240 where <literal>x</literal> is
1241 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
1242 dynamic binding constraints. For example, the following definition
1243 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1244 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1245 <programlisting>
1246   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1247
1248   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1249   sort    = sortBy ?cmp
1250 </programlisting>
1251 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1252 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1253 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1254 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1255 to pick out the least value in a list:
1256 <programlisting>
1257   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1258   least xs = fst (sort xs)
1259 </programlisting>
1260 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1261 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1262 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1263 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1264 propagate them.
1265 </para>
1266 <para>
1267 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
1268 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1269 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1270 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1271 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1272 class constraints.
1273 </para>
1274 <para>
1275 An implicit parameter is bound using an expression of the form 
1276 <emphasis>expr</emphasis> <literal>with</literal> <emphasis>binds</emphasis>, 
1277 where <literal>with</literal> is a new keyword. This form binds the implicit
1278 parameters arising in the body, not the free variables as a <literal>let</literal> or
1279 <literal>where</literal> would do. For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
1280 <literal>cmp</literal>.
1281 <programlisting>
1282   min :: [a] -> a
1283   min  = least with ?cmp = (<=)
1284 </programlisting>
1285 Syntactically, the <emphasis>binds</emphasis> part of a <literal>with</literal> construct must be a
1286 collection of simple bindings to variables (no function-style
1287 bindings, and no type signatures); these bindings are neither
1288 polymorphic or recursive.
1289 </para>
1290 <para>
1291 Note the following additional constraints:
1292 <itemizedlist>
1293 <listitem>
1294 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1295 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1296 <programlisting>
1297   class (?x::Int) => C a where ...
1298   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1299 </programlisting>
1300 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1301 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1302 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1303 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1304 </listitem>
1305 </itemizedlist>
1306 </para>
1307
1308 </sect1>
1309
1310 <sect1 id="linear-implicit-parameters">
1311 <title>Linear implicit parameters
1312 </title>
1313 <para>
1314 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1315 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1316 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1317 </para>
1318 <itemizedlist>
1319 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1320 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1321 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1322 </itemizedlist>
1323
1324 <para>
1325 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1326 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1327 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1328 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1329 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1330 </para>
1331 <para>
1332 For example:
1333 <programlisting>
1334     data NameSupply = ...
1335     
1336     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1337     newName :: NameSupply -> Name
1338
1339     instance PrelSplit.Splittable NameSupply where
1340         split = splitNS
1341
1342
1343     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1344     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1345                     where
1346                       x'   = newName %ns
1347                       env' = extend env x x'
1348     ...more equations for f...
1349 </programlisting>
1350 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1351 <itemizedlist>
1352 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1353 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1354 </itemizedlist>
1355 </para>
1356 <para>
1357 So the translation done by the type checker makes
1358 the parameter explicit:
1359 <programlisting>
1360     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1361     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1362                        where
1363                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1364                          x' = newName ns2
1365                          env = extend env x x'
1366 </programlisting>
1367 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1368 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1369 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1370 defined by
1371 <programlisting>
1372         class Splittable a where
1373           split :: a -> (a,a)
1374 </programlisting>
1375 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1376 split for name supplies.  But we can simply write
1377 <programlisting>
1378         g x = (x, %ns, %ns)
1379 </programlisting>
1380 and GHC will infer
1381 <programlisting>
1382         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1383 </programlisting>
1384 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's defined in <literal>PrelSplit</literal>,
1385 and exported by <literal>GlaExts</literal>.
1386 </para>
1387 <para>
1388 Other points:
1389 <itemizedlist>
1390 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1391 are entirely distinct implicit parameters: you 
1392   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1393 </listitem>
1394
1395 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1396
1397 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1398   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1399 </itemizedlist>
1400 </para>
1401
1402 <sect2><title>Warnings</title>
1403
1404 <para>
1405 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1406 Consider the example above:
1407 <programlisting>
1408     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1409     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1410                     where
1411                       x'   = newName %ns
1412                       env' = extend env x x'
1413 </programlisting>
1414 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1415 usually a harmless thing to do, we get:
1416 <programlisting>
1417     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1418     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1419                     where
1420                       env' = extend env x (newName %ns)
1421 </programlisting>
1422 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1423 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1424 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1425 the beta rule.
1426 </para>
1427 <para>
1428 Well, this is an experimental change.  With implicit
1429 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1430 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1431 Haskell programs without knowing their typing.
1432 </para>
1433
1434 </sect2>
1435
1436 </sect1>
1437
1438 <sect1 id="functional-dependencies">
1439 <title>Functional dependencies
1440 </title>
1441
1442 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1443 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1444 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1445 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1446 </para>
1447
1448 <para>
1449 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1450 </para>
1451 </sect1>
1452
1453
1454 <sect1 id="universal-quantification">
1455 <title>Explicit universal quantification
1456 </title>
1457
1458 <para>
1459 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1460 allows us to say exactly what this means.  For example:
1461 </para>
1462 <para>
1463 <programlisting>
1464         g :: b -> b
1465 </programlisting>
1466 means this:
1467 <programlisting>
1468         g :: forall b. (b -> b)
1469 </programlisting>
1470 The two are treated identically.
1471 </para>
1472
1473 <para>
1474 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1475 explicit universal quantification in
1476 types. 
1477 For example, all the following types are legal:
1478 <programlisting>
1479     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1480     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1481
1482     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1483     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1484
1485     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1486 </programlisting>
1487 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1488 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1489 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1490 is implicitly added by Haskell.
1491 </para>
1492 <para>
1493 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1494 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1495 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1496 </para>
1497 <para>
1498 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1499 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1500 </para>
1501 <para>
1502 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1503 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1504 that restriction has now been lifted.)
1505 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1506 including an operational type class context, is legal:
1507 <itemizedlist>
1508 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1509 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1510 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1511 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1512 field type signatures.</para> </listitem>
1513 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1514 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1515 </itemizedlist>
1516 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1517 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1518 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1519 <programlisting>
1520     x1 :: [forall a. a->a]
1521     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1522     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1523 </programlisting>
1524 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1525 a type variable any more!
1526 </para>
1527
1528
1529 <sect2 id="univ">
1530 <title>Examples
1531 </title>
1532
1533 <para>
1534 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1535 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1536 </para>
1537
1538 <para>
1539
1540 <programlisting>
1541 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1542
1543 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1544                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1545                         }
1546
1547 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1548 </programlisting>
1549
1550 </para>
1551
1552 <para>
1553 The constructors have rank-2 types:
1554 </para>
1555
1556 <para>
1557
1558 <programlisting>
1559 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1560 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1561                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1562                   -> MonadT m
1563 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1564 </programlisting>
1565
1566 </para>
1567
1568 <para>
1569 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1570 explicit context.  For example in the first argument of the
1571 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1572 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1573 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1574 mentioned in the type quantified over.
1575 </para>
1576
1577 <para>
1578 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1579 types too.  So if you write this:
1580
1581 <programlisting>
1582   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1583 </programlisting>
1584
1585 it's just as if you had written this:
1586
1587 <programlisting>
1588   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1589 </programlisting>
1590
1591 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1592 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1593 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1594 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1595 </para>
1596
1597 <para>
1598 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1599 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1600 </para>
1601
1602 <para>
1603
1604 <programlisting>
1605     a1 :: T Int
1606     a1 = T1 (\xy->x) 3
1607     
1608     a2, a3 :: Swizzle
1609     a2 = MkSwizzle sort
1610     a3 = MkSwizzle reverse
1611     
1612     a4 :: MonadT Maybe
1613     a4 = let r x = Just x
1614              b m k = case m of
1615                        Just y -> k y
1616                        Nothing -> Nothing
1617          in
1618          MkMonad r b
1619
1620     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1621     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1622 </programlisting>
1623
1624 </para>
1625
1626 <para>
1627 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1628 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1629 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1630 </para>
1631
1632 <para>
1633 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1634 polymorphic types.  For example:
1635 </para>
1636
1637 <para>
1638
1639 <programlisting>
1640     f :: T a -> a -> (a, Char)
1641     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1642
1643     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1644     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1645
1646     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1647     h m [] = return m []
1648     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1649                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1650                  return m (y:ys)
1651 </programlisting>
1652
1653 </para>
1654
1655 <para>
1656 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1657 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1658 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1659 matching.
1660 </para>
1661 </sect2>
1662
1663 <sect2>
1664 <title>Type inference</title>
1665
1666 <para>
1667 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1668 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1669 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1670 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1671 </para>
1672 <para>
1673 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1674 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1675 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1676 </para>
1677 <para>
1678 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1679 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1680 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1681 <programlisting>
1682      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1683 </programlisting>
1684 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1685 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1686 <programlisting>
1687      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1688 </programlisting>
1689 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1690 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1691 one can give a type signature for the function itself:
1692 <programlisting>
1693      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1694      h f = (f True, f 'c')
1695 </programlisting>
1696 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1697 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1698 <programlisting>
1699     f :: T a -> a -> (a, Char)
1700     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1701 </programlisting>
1702 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1703 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1704 it needs to know.
1705 </para>
1706
1707 </sect2>
1708
1709
1710 <sect2 id="implicit-quant">
1711 <title>Implicit quantification</title>
1712
1713 <para>
1714 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1715 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1716 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1717 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1718 equivalent:
1719 <programlisting>
1720   f :: a -> a
1721   f :: forall a. a -> a
1722
1723   g (x::a) = let
1724                 h :: a -> b -> b
1725                 h x y = y
1726              in ...
1727   g (x::a) = let
1728                 h :: forall b. a -> b -> b
1729                 h x y = y
1730              in ...
1731 </programlisting>
1732 </para>
1733 <para>
1734 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1735 point.  For example:
1736 <programlisting>
1737   f :: (a -> a) -> Int
1738            -- MEANS
1739   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1740            -- NOT
1741   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1742
1743
1744   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1745            -- MEANS the illegal type
1746   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1747            -- NOT
1748   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1749 </programlisting>
1750 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1751 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1752 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1753 for rank-2 types.
1754 </para>
1755 </sect2>
1756 </sect1>
1757
1758 <sect1 id="hoist">
1759 <title>Type synonyms and hoisting
1760 </title>
1761
1762 <para>
1763 Type synonmys are like macros at the type level, and GHC is much more liberal
1764 about them than Haskell 98.  In particular:
1765 <itemizedlist>
1766 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1767 in a type synonym, thus:
1768 <programlisting>
1769   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1770
1771   f :: Discard a
1772   f x y = (x, show y)
1773
1774   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1775   g f = f Int True
1776 </programlisting>
1777 </para>
1778 </listitem>
1779
1780 <listitem><para>
1781 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1782 <programlisting>
1783   type Pr = (# Int, Int #)
1784
1785   h :: Int -> Pr
1786   h x = (# x, x #)
1787 </programlisting>
1788 </para></listitem>
1789 </itemizedlist>
1790 </para>
1791 <para>
1792 GHC does validity checking on types <emphasis>after expanding type synonyms</emphasis> 
1793 so, for example,
1794 this will be rejected:
1795 <programlisting>
1796   type Pr = (# Int, Int #)
1797
1798   h :: Pr -> Int
1799   h x = ...
1800 </programlisting>
1801 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1802 </para>
1803
1804 <para>
1805 However, it is often convenient to use these sort of generalised synonyms at the right hand
1806 end of an arrow, thus:
1807 <programlisting>
1808   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1809
1810   g :: Int -> Discard Int
1811   g x y z = x+y
1812 </programlisting>
1813 Simply expanding the type synonym would give
1814 <programlisting>
1815   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1816 </programlisting>
1817 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1818 <programlisting>
1819   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1820 </programlisting>
1821 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1822 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1823 performs the transformation:</emphasis>
1824 <programlisting>
1825   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1826 ==>
1827   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1828 </programlisting>
1829 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1830 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1831 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1832 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1833 <programlisting>
1834   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1835 </programlisting>
1836 </para>
1837 </sect1>
1838
1839
1840 <sect1 id="existential-quantification">
1841 <title>Existentially quantified data constructors
1842 </title>
1843
1844 <para>
1845 The idea of using existential quantification in data type declarations
1846 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1847 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1848 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1849 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1850 </para>
1851
1852 <para>
1853
1854 <programlisting>
1855   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1856            | Nil
1857 </programlisting>
1858
1859 </para>
1860
1861 <para>
1862 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1863 </para>
1864
1865 <para>
1866
1867 <programlisting>
1868   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1869   Nil   :: Foo
1870 </programlisting>
1871
1872 </para>
1873
1874 <para>
1875 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1876 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1877 For example, the following expression is fine:
1878 </para>
1879
1880 <para>
1881
1882 <programlisting>
1883   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1884 </programlisting>
1885
1886 </para>
1887
1888 <para>
1889 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1890 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1891 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1892 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1893 </para>
1894
1895 <para>
1896 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1897 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1898 </para>
1899
1900 <para>
1901
1902 <programlisting>
1903   f (MkFoo val fn) = ???
1904 </programlisting>
1905
1906 </para>
1907
1908 <para>
1909 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1910 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1911 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1912 </para>
1913
1914 <para>
1915
1916 <programlisting>
1917   f :: Foo -> Bool
1918   f (MkFoo val fn) = fn val
1919 </programlisting>
1920
1921 </para>
1922
1923 <para>
1924 What this allows us to do is to package heterogenous values
1925 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1926 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1927 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1928 </para>
1929
1930 <sect2 id="existential">
1931 <title>Why existential?
1932 </title>
1933
1934 <para>
1935 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1936 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1937 </para>
1938
1939 <para>
1940
1941 <programlisting>
1942   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1943 </programlisting>
1944
1945 </para>
1946
1947 <para>
1948 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1949 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1950 adding a new existential quantification construct.
1951 </para>
1952
1953 </sect2>
1954
1955 <sect2>
1956 <title>Type classes</title>
1957
1958 <para>
1959 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1960 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1961 </para>
1962
1963 <para>
1964
1965 <programlisting>
1966 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1967          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1968 </programlisting>
1969
1970 </para>
1971
1972 <para>
1973 The two constructors have the types you'd expect:
1974 </para>
1975
1976 <para>
1977
1978 <programlisting>
1979 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1980 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1981 </programlisting>
1982
1983 </para>
1984
1985 <para>
1986 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1987 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1988 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1989 So this program is legal:
1990 </para>
1991
1992 <para>
1993
1994 <programlisting>
1995   f :: Baz -> String
1996   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1997                | otherwise = "No"
1998   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1999 </programlisting>
2000
2001 </para>
2002
2003 <para>
2004 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2005 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2006 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2007 extract it on pattern matching.
2008 </para>
2009
2010 <para>
2011 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
2012 universal quantification earlier.
2013 </para>
2014
2015 </sect2>
2016
2017 <sect2>
2018 <title>Restrictions</title>
2019
2020 <para>
2021 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2022 constructors can be use.
2023 </para>
2024
2025 <para>
2026
2027 <itemizedlist>
2028 <listitem>
2029
2030 <para>
2031  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2032 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2033 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2034 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2035
2036
2037 <programlisting>
2038 f1 (MkFoo a f) = a
2039 </programlisting>
2040
2041
2042 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2043 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2044 ask what type <function>f1</function> has:
2045
2046
2047 <programlisting>
2048   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2049 </programlisting>
2050
2051
2052 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2053 this:
2054
2055
2056 <programlisting>
2057   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2058 </programlisting>
2059
2060
2061 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2062
2063
2064 <programlisting>
2065   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2066 </programlisting>
2067
2068
2069 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2070 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2071 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2072
2073
2074 </para>
2075 </listitem>
2076 <listitem>
2077
2078 <para>
2079 You can't pattern-match on an existentially quantified
2080 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2081 bindings. So this is illegal:
2082
2083
2084 <programlisting>
2085   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2086 </programlisting>
2087
2088
2089 You can only pattern-match
2090 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2091 in the patterns of a function definition.
2092
2093 The reason for this restriction is really an implementation one.
2094 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2095 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2096 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2097 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2098 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2099 annoying it is.
2100
2101 </para>
2102 </listitem>
2103 <listitem>
2104
2105 <para>
2106 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2107 declarations.  So this is illegal:
2108
2109
2110 <programlisting>
2111   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2112 </programlisting>
2113
2114
2115 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2116 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2117 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2118 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2119 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2120 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2121 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2122 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2123 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2124 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2125 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2126
2127
2128 </para>
2129 </listitem>
2130 <listitem>
2131
2132 <para>
2133  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2134 data type with existentially quantified data constructors.
2135
2136 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2137
2138 <programlisting>
2139 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2140 </programlisting>
2141
2142 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2143 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2144
2145 <programlisting>
2146 instance Eq T where
2147   (MkT a) == (MkT b) = ???
2148 </programlisting>
2149
2150 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2151 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2152 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2153 declarations.  Define your own instances!
2154 </para>
2155 </listitem>
2156
2157 </itemizedlist>
2158
2159 </para>
2160
2161 </sect2>
2162
2163 </sect1>
2164
2165 <sect1 id="sec-assertions">
2166 <title>Assertions
2167 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2168 </title>
2169
2170 <para>
2171 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2172 could define a function like the following:
2173 </para>
2174
2175 <para>
2176
2177 <programlisting>
2178 assert :: Bool -> a -> a
2179 assert False x = error "assertion failed!"
2180 assert _     x = x
2181 </programlisting>
2182
2183 </para>
2184
2185 <para>
2186 which works, but gives you back a less than useful error message --
2187 an assertion failed, but which and where?
2188 </para>
2189
2190 <para>
2191 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2192 takes a descriptive string to include in the error message and
2193 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2194 the source location where <function>assert</function> was used.
2195 </para>
2196
2197 <para>
2198 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2199 use of <function>assert</function> in the user's source:
2200 </para>
2201
2202 <para>
2203
2204 <programlisting>
2205 kelvinToC :: Double -> Double
2206 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2207 </programlisting>
2208
2209 </para>
2210
2211 <para>
2212 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2213 assertion was made,
2214 </para>
2215
2216 <para>
2217
2218 <programlisting>
2219 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2220 </programlisting>
2221
2222 </para>
2223
2224 <para>
2225 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2226 applications of <function>Exception.assert</function>, so you can still define and
2227 use your own versions of <function>assert</function>, should you so wish. If not,
2228 import <literal>Exception</literal> to make use <function>assert</function> in your code.
2229 </para>
2230
2231 <para>
2232 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2233 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts option</primary></indexterm> That is,
2234 expressions of the form <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to <literal>e</literal>.
2235 </para>
2236
2237 <para>
2238 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2239 <literal>Exception</literal> library (<xref linkend="sec-Exception">)
2240 for the details.
2241 </para>
2242
2243 </sect1>
2244
2245 <sect1 id="scoped-type-variables">
2246 <title>Scoped Type Variables
2247 </title>
2248
2249 <para>
2250 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2251 variable</emphasis>.  For example
2252 </para>
2253
2254 <para>
2255
2256 <programlisting>
2257 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2258            where
2259               ys :: [a]
2260               ys = reverse xs
2261 </programlisting>
2262
2263 </para>
2264
2265 <para>
2266 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2267 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2268 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2269 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2270 </para>
2271
2272 <para>
2273  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2274 type signatures.  The two can be used independently or together.
2275 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2276 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2277 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2278 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2279 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2280 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2281 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2282 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2283 it becomes possible to do so.
2284 </para>
2285
2286 <para>
2287 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2288 implementations differ from the specification below, those differences
2289 are noted.
2290 </para>
2291
2292 <para>
2293 So much for the basic idea.  Here are the details.
2294 </para>
2295
2296 <sect2>
2297 <title>What a pattern type signature means</title>
2298 <para>
2299 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2300 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2301 of the same name mean the same type.  For example:
2302 <programlisting>
2303   f :: [Int] -> Int -> Int
2304   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2305 </programlisting>
2306 The pattern type signatures on the left hand side of
2307 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2308 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2309 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2310 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2311 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2312 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2313 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2314 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2315 For example, all of these are legal:</para>
2316
2317 <programlisting>
2318   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2319
2320   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2321
2322   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2323
2324   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2325         in k x                  -- environment
2326
2327   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2328   k (x::Int) False = ...
2329
2330   w :: [b] -> [b]
2331   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2332 </programlisting>
2333
2334 </sect2>
2335
2336 <sect2>
2337 <title>Scope and implicit quantification</title>
2338
2339 <para>
2340
2341 <itemizedlist>
2342 <listitem>
2343
2344 <para>
2345 All the type variables mentioned in a pattern,
2346 that are not already in scope,
2347 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2348 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2349 For example:
2350 <programlisting>
2351   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2352              in
2353              g (x,True)
2354 </programlisting>
2355 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2356 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2357 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2358 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2359 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2360 </para>
2361 </listitem>
2362
2363 <listitem>
2364 <para>
2365 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2366 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2367 <programlisting>
2368   let
2369     f (x::a) = <...rhs of f...>
2370     (p::b, q::b) = (1,2)
2371   in <...body of let...>
2372 </programlisting>
2373 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2374 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2375 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2376 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2377 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2378 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2379 </para>
2380 </listitem>
2381
2382
2383 <listitem>
2384 <para>
2385 The type variables bound by the pattern may be 
2386 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2387 type signatures anywhere within their scope.
2388
2389 </para>
2390 </listitem>
2391
2392 <listitem>
2393 <para>
2394  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2395 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2396
2397 </para>
2398 </listitem>
2399
2400 <listitem>
2401
2402 <para>
2403  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2404 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2405
2406 <programlisting>
2407   f :: a -> a
2408   f x = x::a
2409 </programlisting>
2410
2411 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2412 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2413 and that is an incorrect typing.
2414
2415 </para>
2416 </listitem>
2417
2418 <listitem>
2419 <para>
2420 The pattern type signature is a monotype:
2421 </para>
2422
2423 <itemizedlist>
2424 <listitem> <para> 
2425 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2426 </para> </listitem>
2427
2428 <listitem>  <para> 
2429 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2430 not to type schemes.
2431 </para> </listitem>
2432
2433 <listitem>  <para> 
2434 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2435 ordinary type signatures).
2436 </para> </listitem>
2437
2438 </itemizedlist>
2439
2440 </listitem>
2441
2442 <listitem>
2443 <para>
2444
2445 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2446 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2447
2448
2449 <programlisting>
2450   class C a where
2451     op :: [a] -> a
2452
2453     op xs = let ys::[a]
2454                 ys = reverse xs
2455             in
2456             head ys
2457 </programlisting>
2458
2459
2460 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2461 </para>
2462 </listitem>
2463
2464 </itemizedlist>
2465
2466 </para>
2467
2468 </sect2>
2469
2470 <sect2>
2471 <title>Result type signatures</title>
2472
2473 <para>
2474
2475 <itemizedlist>
2476 <listitem>
2477
2478 <para>
2479  The result type of a function can be given a signature,
2480 thus:
2481
2482
2483 <programlisting>
2484   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2485 </programlisting>
2486
2487
2488 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2489 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2490 you want:
2491
2492
2493 <programlisting>
2494   f :: Int -> [a] -> [a]
2495   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2496                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2497 </programlisting>
2498
2499
2500 </para>
2501 </listitem>
2502
2503 </itemizedlist>
2504
2505 </para>
2506
2507 <para>
2508 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2509 </para>
2510
2511 </sect2>
2512
2513 <sect2>
2514 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2515
2516 <para>
2517 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2518 <itemizedlist>
2519
2520 <listitem>
2521 <para>
2522 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2523 ust on a variable:
2524
2525
2526 <programlisting>
2527   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2528 </programlisting>
2529
2530
2531 </para>
2532 </listitem>
2533 <listitem>
2534
2535 <para>
2536  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2537 in lambda abstractions:
2538
2539 <programlisting>
2540   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2541 </programlisting>
2542 </para>
2543 </listitem>
2544 <listitem>
2545
2546 <para>
2547  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2548 in <literal>case</literal> expressions:
2549
2550
2551 <programlisting>
2552   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2553 </programlisting>
2554
2555 </para>
2556 </listitem>
2557
2558 <listitem>
2559 <para>
2560 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2561 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2562 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2563 consider how one would parse this:
2564
2565
2566 <programlisting>
2567   \ x :: a -> b -> x
2568 </programlisting>
2569
2570
2571 </para>
2572 </listitem>
2573
2574 <listitem>
2575
2576 <para>
2577  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2578 For example:
2579
2580
2581 <programlisting>
2582   data T = forall a. MkT [a]
2583
2584   f :: T -> T
2585   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2586                  where
2587                    t3::[a] = [t,t,t]
2588 </programlisting>
2589
2590
2591 </para>
2592 </listitem>
2593
2594
2595 <listitem>
2596
2597 <para>
2598 Pattern type signatures 
2599 can be used in pattern bindings:
2600
2601 <programlisting>
2602   f x = let (y, z::a) = x in ...
2603   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2604   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2605   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2606 </programlisting>
2607
2608 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2609 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2610 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2611 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2612 In contrast, the binding
2613 <programlisting>
2614   f4 :: b->b
2615   f4 = \x -> x
2616 </programlisting>
2617 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2618 in <literal>f4</literal>'s scope.
2619
2620 </para>
2621 </listitem>
2622 </itemizedlist>
2623 </para>
2624
2625 </sect2>
2626
2627
2628 </sect1>
2629
2630   <sect1 id="pragmas">
2631     <title>Pragmas</title>
2632
2633     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2634
2635     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2636     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2637     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2638     of the generated code.</para>
2639
2640     <para>Pragmas all take the form
2641
2642 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2643
2644     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2645     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2646     type of pragma.  Case is ignored in
2647     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2648     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2649     in the following sections; any pragma encountered with an
2650     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2651     ignored.</para>
2652
2653 <sect2 id="inline-pragma">
2654 <title>INLINE pragma
2655
2656 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2657 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2658
2659 <para>
2660 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2661 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2662 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2663 </para>
2664
2665 <para>
2666 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2667 interface files.
2668 </para>
2669
2670 <para>
2671 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2672 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2673 use.
2674 </para>
2675
2676 <para>
2677 The sledgehammer you can bring to bear is the
2678 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2679
2680 <programlisting>
2681 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2682
2683 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2684 {-# INLINE key_function #-}
2685 #endif
2686 </programlisting>
2687
2688 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2689 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2690 </para>
2691
2692 <para>
2693 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2694 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2695 very keen to inline it.
2696 </para>
2697
2698 <para>
2699 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2700 signature could be put.
2701 </para>
2702
2703 <para>
2704 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2705 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2706 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2707
2708 <programlisting>
2709 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2710 {-# INLINE thenUs #-}
2711 {-# INLINE returnUs #-}
2712 #endif
2713 </programlisting>
2714
2715 </para>
2716
2717 </sect2>
2718
2719 <sect2 id="noinline-pragma">
2720 <title>NOINLINE pragma
2721 </title>
2722
2723 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2724 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2725 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2726 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2727
2728 <para>
2729 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2730 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2731 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2732 size.
2733 </para>
2734
2735 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2736 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2737 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2738 used if you want your code to be portable).</para>
2739
2740 </sect2>
2741
2742     <sect2 id="specialize-pragma">
2743       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2744
2745       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2746       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2747       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2748
2749       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2750       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2751       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2752       overloaded function:</para>
2753
2754 <programlisting>
2755 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2756 </programlisting>
2757
2758       <para>If it is heavily used on lists with
2759       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2760       follows:</para>
2761
2762 <programlisting>
2763 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2764 </programlisting>
2765
2766       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2767       to use for the specialised value, as in:</para>
2768
2769 <programlisting>
2770 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2771 </programlisting>
2772
2773       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2774       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2775       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2776       Responsibility</emphasis> to make sure that
2777       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2778       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2779
2780       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2781       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2782       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2783       <xref linkend="rules"> for more information on
2784       <literal>RULES</literal>.</para>
2785
2786       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2787       specialisation will Win Big:
2788
2789 <programlisting>
2790 toDouble :: Real a => a -> Double
2791 toDouble = fromRational . toRational
2792
2793 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2794 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2795 </programlisting>
2796
2797       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2798       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2799       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2800       comparison.</para>
2801
2802       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2803       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2804
2805     </sect2>
2806
2807 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2808 <title>SPECIALIZE instance pragma
2809 </title>
2810
2811 <para>
2812 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2813 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2814 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2815
2816 <programlisting>
2817 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2818    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2819    ... usual stuff ...
2820  }
2821 </programlisting>
2822 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2823 of the instance declaration.
2824 </para>
2825 <para>
2826 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2827 of the pragma.
2828 </para>
2829
2830 </sect2>
2831
2832 <sect2 id="line-pragma">
2833 <title>LINE pragma
2834 </title>
2835
2836 <para>
2837 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2838 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2839 </para>
2840
2841 <para>
2842 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2843 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2844 number and filename of the original code; for example
2845 </para>
2846
2847 <para>
2848
2849 <programlisting>
2850 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2851 </programlisting>
2852
2853 </para>
2854
2855 <para>
2856 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2857 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2858 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2859 pragma.
2860 </para>
2861
2862 </sect2>
2863
2864 <sect2 id="rules">
2865 <title>RULES pragma</title>
2866
2867 <para>
2868 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2869 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2870 </para>
2871
2872 </sect2>
2873
2874 <sect2 id="deprecated-pragma">
2875 <title>DEPRECATED pragma</title>
2876
2877 <para>
2878 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2879 There are two forms.  
2880 </para>
2881 <itemizedlist>
2882 <listitem><para>
2883 You can deprecate an entire module thus:</para>
2884 <programlisting>
2885    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2886      ...
2887 </programlisting>
2888 <para>
2889 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2890 the specified message.</para>
2891 </listitem>
2892
2893 <listitem>
2894 <para>
2895 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2896 </para>
2897 <programlisting>
2898    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2899 </programlisting>
2900 <para>
2901 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2902 GHC will print the specified message.
2903 </para>
2904 </listitem>
2905 </itemizedlist>
2906 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2907
2908 </sect2>
2909
2910 </sect1>
2911
2912 <sect1 id="rewrite-rules">
2913 <title>Rewrite rules
2914
2915 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2916 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2917 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2918
2919 <para>
2920 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2921 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2922 </para>
2923
2924 <para>
2925 Here is an example:
2926
2927 <programlisting>
2928   {-# RULES
2929         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2930   #-}
2931 </programlisting>
2932
2933 </para>
2934
2935 <sect2>
2936 <title>Syntax</title>
2937
2938 <para>
2939 From a syntactic point of view:
2940
2941 <itemizedlist>
2942 <listitem>
2943
2944 <para>
2945  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
2946 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
2947 </para>
2948 </listitem>
2949 <listitem>
2950
2951 <para>
2952  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
2953 </para>
2954 </listitem>
2955 <listitem>
2956
2957 <para>
2958  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
2959 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
2960 enclosing definitions.
2961 </para>
2962 </listitem>
2963 <listitem>
2964
2965 <para>
2966  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
2967 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
2968 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
2969 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
2970 </para>
2971 </listitem>
2972 <listitem>
2973
2974 <para>
2975  A pattern variable may optionally have a type signature.
2976 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
2977 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
2978
2979 <programlisting>
2980 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
2981               foldr k z (build g) = g k z
2982 </programlisting>
2983
2984 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
2985
2986 </para>
2987 </listitem>
2988 <listitem>
2989
2990 <para>
2991 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
2992 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
2993
2994 <programlisting>
2995 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
2996 "wrong2"   forall f.      f True = True
2997 </programlisting>
2998
2999 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3000 in the head.
3001 </para>
3002 </listitem>
3003 <listitem>
3004
3005 <para>
3006  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3007 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3008 </para>
3009 </listitem>
3010 <listitem>
3011
3012 <para>
3013  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3014 </para>
3015 </listitem>
3016
3017 </itemizedlist>
3018
3019 </para>
3020
3021 </sect2>
3022
3023 <sect2>
3024 <title>Semantics</title>
3025
3026 <para>
3027 From a semantic point of view:
3028
3029 <itemizedlist>
3030 <listitem>
3031
3032 <para>
3033 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3034 </para>
3035 </listitem>
3036
3037 <listitem>
3038 <para>
3039  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3040 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3041 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3042 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3043 expression by substituting for the pattern variables.
3044
3045 </para>
3046 </listitem>
3047 <listitem>
3048
3049 <para>
3050  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3051 same type.
3052
3053 </para>
3054 </listitem>
3055 <listitem>
3056
3057 <para>
3058  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3059 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3060 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3061
3062 </para>
3063 </listitem>
3064 <listitem>
3065
3066 <para>
3067  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3068 terminating.  For example:
3069
3070 <programlisting>
3071   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3072 </programlisting>
3073
3074 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3075
3076 </para>
3077 </listitem>
3078 <listitem>
3079
3080 <para>
3081  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3082
3083 </para>
3084 </listitem>
3085 <listitem>
3086 <para>
3087  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3088 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3089 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3090 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3091 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3092 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3093 </para>
3094
3095 <para>
3096 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3097 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3098 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3099 </para>
3100 </listitem>
3101 <listitem>
3102
3103 <para>
3104  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3105 For example, consider:
3106
3107 <programlisting>
3108   let s = map f
3109       t = map g
3110   in
3111   s (t xs)
3112 </programlisting>
3113
3114 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3115 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3116 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3117 not be substituted, and the rule would not fire.
3118
3119 </para>
3120 </listitem>
3121 <listitem>
3122
3123 <para>
3124  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3125 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3126 for something you can't match against it (given the simple minded
3127 matching).  So if you write the rule
3128
3129 <programlisting>
3130         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3131 </programlisting>
3132
3133 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3134 It will only match something written with explicit use of ".".
3135 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3136
3137 <programlisting>
3138 wibble f g xs
3139 </programlisting>
3140
3141 where <function>wibble</function> is defined:
3142
3143 <programlisting>
3144 wibble f g = map f . map g
3145 </programlisting>
3146
3147 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3148
3149 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3150 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3151 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3152
3153 </para>
3154 </listitem>
3155 <listitem>
3156
3157 <para>
3158  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3159 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3160 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3161 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3162 declarations.
3163 </para>
3164 </listitem>
3165
3166 </itemizedlist>
3167
3168 </para>
3169
3170 </sect2>
3171
3172 <sect2>
3173 <title>List fusion</title>
3174
3175 <para>
3176 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3177 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3178 intermediate list should be eliminated entirely.
3179 </para>
3180
3181 <para>
3182 The following are good producers:
3183
3184 <itemizedlist>
3185 <listitem>
3186
3187 <para>
3188  List comprehensions
3189 </para>
3190 </listitem>
3191 <listitem>
3192
3193 <para>
3194  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3195 </para>
3196 </listitem>
3197 <listitem>
3198
3199 <para>
3200  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3201 </para>
3202 </listitem>
3203 <listitem>
3204
3205 <para>
3206  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3207 </para>
3208 </listitem>
3209 <listitem>
3210
3211 <para>
3212  <function>++</function>
3213 </para>
3214 </listitem>
3215
3216 <listitem>
3217 <para>
3218  <function>map</function>
3219 </para>
3220 </listitem>
3221
3222 <listitem>
3223 <para>
3224  <function>filter</function>
3225 </para>
3226 </listitem>
3227 <listitem>
3228
3229 <para>
3230  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3231 </para>
3232 </listitem>
3233 <listitem>
3234
3235 <para>
3236  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3237 </para>
3238 </listitem>
3239
3240 </itemizedlist>
3241
3242 </para>
3243
3244 <para>
3245 The following are good consumers:
3246
3247 <itemizedlist>
3248 <listitem>
3249
3250 <para>
3251  List comprehensions
3252 </para>
3253 </listitem>
3254 <listitem>
3255
3256 <para>
3257  <function>array</function> (on its second argument)
3258 </para>
3259 </listitem>
3260 <listitem>
3261
3262 <para>
3263  <function>length</function>
3264 </para>
3265 </listitem>
3266 <listitem>
3267
3268 <para>
3269  <function>++</function> (on its first argument)
3270 </para>
3271 </listitem>
3272
3273 <listitem>
3274 <para>
3275  <function>foldr</function>
3276 </para>
3277 </listitem>
3278
3279 <listitem>
3280 <para>
3281  <function>map</function>
3282 </para>
3283 </listitem>
3284 <listitem>
3285
3286 <para>
3287  <function>filter</function>
3288 </para>
3289 </listitem>
3290 <listitem>
3291
3292 <para>
3293  <function>concat</function>
3294 </para>
3295 </listitem>
3296 <listitem>
3297
3298 <para>
3299  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3300 </para>
3301 </listitem>
3302 <listitem>
3303
3304 <para>
3305  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3306 will fuse with one but not the other)
3307 </para>
3308 </listitem>
3309 <listitem>
3310
3311 <para>
3312  <function>partition</function>
3313 </para>
3314 </listitem>
3315 <listitem>
3316
3317 <para>
3318  <function>head</function>
3319 </para>
3320 </listitem>
3321 <listitem>
3322
3323 <para>
3324  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3325 </para>
3326 </listitem>
3327 <listitem>
3328
3329 <para>
3330  <function>sequence&lowbar;</function>
3331 </para>
3332 </listitem>
3333 <listitem>
3334
3335 <para>
3336  <function>msum</function>
3337 </para>
3338 </listitem>
3339 <listitem>
3340
3341 <para>
3342  <function>sortBy</function>
3343 </para>
3344 </listitem>
3345
3346 </itemizedlist>
3347
3348 </para>
3349
3350 <para>
3351 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3352
3353 <programlisting>
3354 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3355 </programlisting>
3356
3357 </para>
3358
3359 <para>
3360 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3361 a lot which are not included, please tell us.
3362 </para>
3363
3364 <para>
3365 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3366 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3367 </para>
3368
3369 </sect2>
3370
3371 <sect2 id="rule-spec">
3372 <title>Specialisation
3373 </title>
3374
3375 <para>
3376 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3377 present in earlier version of GHC:
3378
3379 <programlisting>
3380   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3381 </programlisting>
3382
3383 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3384 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3385 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3386 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3387 </para>
3388
3389 <para>
3390 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3391 same thing:
3392
3393 <programlisting>
3394 {-# RULES
3395   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3396 #-}
3397 </programlisting>
3398
3399 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3400 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3401 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3402
3403 <programlisting>
3404 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3405         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3406 </programlisting>
3407
3408 What is more,
3409 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3410 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3411 have an original definition available to specialise).
3412 </para>
3413
3414 </sect2>
3415
3416 <sect2>
3417 <title>Controlling what's going on</title>
3418
3419 <para>
3420
3421 <itemizedlist>
3422 <listitem>
3423
3424 <para>
3425  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3426 </para>
3427 </listitem>
3428 <listitem>
3429
3430 <para>
3431  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3432 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3433 </para>
3434 </listitem>
3435 <listitem>
3436
3437 <para>
3438  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3439
3440 <programlisting>
3441         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3442         {-# INLINE build #-}
3443         build g = g (:) []
3444 </programlisting>
3445
3446 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3447 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3448 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3449 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3450
3451 </para>
3452 </listitem>
3453 <listitem>
3454
3455 <para>
3456  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3457 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3458 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3459 </para>
3460 </listitem>
3461
3462 </itemizedlist>
3463
3464 </para>
3465
3466 </sect2>
3467
3468 </sect1>
3469
3470 <sect1 id="generic-classes">
3471 <title>Generic classes</title>
3472
3473     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3474     GHC 5.02).</para>
3475
3476 <para>
3477 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3478 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3479 An example will give the idea:
3480 </para>
3481
3482 <programlisting>
3483   import Generics
3484
3485   class Bin a where
3486     toBin   :: a -> [Int]
3487     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3488   
3489     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3490     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3491     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3492     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3493   
3494     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3495     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3496     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3497     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3498                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3499 </programlisting>
3500 <para>
3501 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3502 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3503 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3504 </para>
3505 <programlisting>
3506   data Unit    = Unit
3507   data a :+: b = Inl a | Inr b
3508   data a :*: b = a :*: b
3509 </programlisting>
3510 <para>
3511 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3512 <programlisting>
3513   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3514   instance Bin a => Bin [a]
3515 </programlisting>
3516 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3517 where clause and over-ride whichever methods you please.
3518 </para>
3519
3520     <sect2>
3521       <title> Using generics </title>
3522       <para>To use generics you need to</para>
3523       <itemizedlist>
3524         <listitem>
3525           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3526                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3527                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3528                 available.  </para>
3529         </listitem>
3530         <listitem>
3531           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3532           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3533           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3534           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3535           don't need this import if you don't mention these types
3536           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3537           declarations.)</para>
3538         </listitem>
3539       </itemizedlist>
3540     </sect2>
3541
3542 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3543 <para>
3544 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3545 can be written infix (indeed, you can now use
3546 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3547 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3548 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3549 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3550 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3551 anticipate wanting).
3552 </para>
3553 </sect2>
3554
3555 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3556 <para>
3557 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3558 is one that is defined using type patterns as above.
3559 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3560 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3561 generic default method.
3562 </para>
3563
3564 <para>
3565 Restrictions:
3566 <itemizedlist>
3567 <listitem>
3568 <para>
3569 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3570 field labels.
3571 </para>
3572 </listitem>
3573
3574 <listitem>
3575 <para>
3576 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3577 multi-parameter class.
3578 </para>
3579 </listitem>
3580
3581 <listitem>
3582 <para>
3583 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3584 without.  So this is illegal:
3585 <programlisting>
3586   class Foo a where
3587     op :: a -> (a, Bool)
3588     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3589     op x               = (x,    False)
3590 </programlisting>
3591 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3592 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3593 </para>
3594 </listitem>
3595
3596 <listitem>
3597 <para>
3598 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3599 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:
3600 <programlisting>
3601   class Foo a where
3602     op :: a -> Bool
3603     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3604     ...
3605 </programlisting>
3606 </para>
3607 </listitem>
3608
3609 <listitem>
3610 <para>
3611 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3612 <programlisting>
3613        a :+: b
3614        a :*: b
3615        Unit
3616 </programlisting>
3617 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3618 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3619 must use the same type variables.  So this is illegal:
3620 <programlisting>
3621   class Foo a where
3622     op :: a -> Bool
3623     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3624     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3625 </programlisting>
3626 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3627 So this too is illegal:
3628 <programlisting>
3629   class Foo a where
3630     op1 :: a -> Bool
3631     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3632
3633     op2 :: a -> Bool
3634     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3635 </programlisting>
3636 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3637 into a single generic instance declaration.)
3638 </para>
3639 </listitem>
3640
3641 <listitem>
3642 <para>
3643 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3644 </para>
3645 </listitem>
3646
3647 <listitem>
3648 <para>
3649 The type for a generic method can be built only from:
3650   <itemizedlist>
3651   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3652   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3653   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3654   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3655   </itemizedlist>
3656 Here are some example type signatures for generic methods:
3657 <programlisting>
3658     op1 :: a -> Bool
3659     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3660     op3 :: [Int] -> a -> a
3661     op4 :: [a] -> Bool
3662 </programlisting>
3663 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3664 inside a list.  
3665 </para>
3666 <para>
3667 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3668 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3669 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3670 to the ones that are allowed.</para>
3671 </listitem>
3672
3673 <listitem>
3674 <para>
3675 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3676 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3677 do so if
3678   <itemizedlist>
3679   <listitem>
3680   <para>
3681   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3682   </para>
3683   </listitem>
3684   <listitem>
3685   <para>
3686   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3687   </para>
3688   </listitem>
3689   </itemizedlist>
3690 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3691 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3692 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3693 </para>
3694 </listitem>
3695
3696 </itemizedlist>
3697 </para>
3698
3699 <para>
3700 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3701 what the compiler does with generic declarations.
3702 </para>
3703
3704 </sect2>
3705
3706 <sect2> <title> Another example </title>
3707 <para>
3708 Just to finish with, here's another example I rather like:
3709 <programlisting>
3710   class Tag a where
3711     nCons :: a -> Int
3712     nCons {| Unit |}    _ = 1
3713     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3714     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3715   
3716     tag :: a -> Int
3717     tag {| Unit |}    _       = 1
3718     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3719     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3720     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3721 </programlisting>
3722 </para>
3723 </sect2>
3724 </sect1>
3725
3726 <sect1 id="newtype-deriving">
3727 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3728
3729 <para>
3730 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3731 the new type to inherit some instances from its representation. In
3732 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3733 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3734 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3735 example, if you define
3736
3737 <programlisting> 
3738   newtype Dollars = Dollars Int 
3739 </programlisting> 
3740
3741 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3742 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3743
3744 <programlisting> 
3745   instance Num Dollars where
3746     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3747     ...
3748 </programlisting>
3749 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3750 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3751 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3752 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3753 dictionary, only slower!
3754 </para>
3755
3756 <sect2> <title> Generalising the deriving clause </title>
3757 <para>
3758 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3759 <programlisting> 
3760   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3761 </programlisting> 
3762
3763 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3764 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3765 derives an instance declaration of the form
3766
3767 <programlisting> 
3768   instance Num Int => Num Dollars
3769 </programlisting> 
3770
3771 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3772 </para>
3773 <para>
3774
3775 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3776 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3777 transformers, such that
3778
3779 <programlisting> 
3780   instance Monad m => Monad (State s m) 
3781   instance Monad m => Monad (Failure m)
3782 </programlisting> 
3783 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3784 <programlisting> 
3785   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3786 </programlisting> 
3787
3788 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3789 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3790 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3791
3792 <programlisting> 
3793   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3794                          deriving Monad
3795 </programlisting>
3796 In this case the derived instance declaration is of the form 
3797 <programlisting> 
3798   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3799 </programlisting> 
3800
3801 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3802 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3803 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3804 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3805 declaration.
3806 </para>
3807 <para>
3808
3809 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3810 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3811 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3812 clause. For example, given the class
3813
3814 <programlisting> 
3815   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3816   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3817 </programlisting> 
3818 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3819 <programlisting> 
3820   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3821                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3822 </programlisting>
3823
3824 The derived instance is obtained by completing the application of the
3825 class to the new type:
3826
3827 <programlisting> 
3828   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3829            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3830 </programlisting>
3831 </para>
3832 <para>
3833
3834 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3835 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3836 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3837 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3838 the newtype and its representation.
3839 </para>
3840 </sect2>
3841
3842 <sect2> <title> A more precise specification </title>
3843 <para>
3844 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3845 declaration (after expansion of any type synonyms)
3846
3847 <programlisting> 
3848   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3849 </programlisting> 
3850
3851 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3852 types,
3853 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3854 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3855 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3856 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3857
3858 <programlisting> 
3859   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3860 </programlisting>
3861 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3862 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3863 </para>
3864 <para>
3865
3866 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3867 <programlisting> 
3868   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3869 </programlisting> 
3870 Here we cannot derive the instance 
3871 <programlisting> 
3872   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3873 </programlisting> 
3874
3875 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3876 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3877 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3878 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3879 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3880 </para>
3881 <para>
3882
3883 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3884 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3885 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3886
3887 <programlisting> 
3888   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3889 </programlisting>
3890
3891 then we would not have been able to derive an instance for the
3892 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3893 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3894 instances is most interesting.
3895 </para>
3896 </sect2>
3897 </sect1>
3898
3899
3900
3901 <!-- Emacs stuff:
3902      ;;; Local Variables: ***
3903      ;;; mode: sgml ***
3904      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3905      ;;; End: ***
3906  -->