[project @ 2002-07-22 14:29:13 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
23 separate libraries documentation describes all the libraries that come
24 with GHC.
25 </para>
26
27 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
28   <sect1 id="options-language">
29     <title>Language options</title>
30
31     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
32     </indexterm>
33     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
36     </indexterm>
37
38     <para> These flags control what variation of the language are
39     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
40     98.</para>
41
42     <variablelist>
43
44       <varlistentry>
45         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
46         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
47         <listitem>
48           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
49           Haskell 98 described in <xref
50           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
51           noted. </para>
52         </listitem>
53       </varlistentry>
54
55       <varlistentry>
56         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
57         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
58         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
59         <listitem>
60           <para>This option enables the language extension defined in the
61           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
62           syntax of previous versions of the FFI for backwards
63           compatibility.</para> 
64         </listitem>
65       </varlistentry>
66
67       <varlistentry>
68         <term><option>-fwith</option>:</term>
69         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
70         <listitem>
71           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
72           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
73           compatibility.
74           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
75           flag. </para>
76         </listitem>
77       </varlistentry>
78
79       <varlistentry>
80         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
81         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
82         <listitem>
83           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
84           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
85           flag. </para>
86         </listitem>
87       </varlistentry>
88
89       <varlistentry>
90         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
92         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
93         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
96         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
97         <listitem>
98           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
99           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
100         </listitem>
101       </varlistentry>
102
103       <varlistentry>
104         <term><option>-finline-phase</option></term>
105         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
106         <listitem>
107           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
108           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
109         </listitem>
110       </varlistentry>
111
112       <varlistentry>
113         <term><option>-fgenerics</option></term>
114         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
115         <listitem>
116           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
117           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
118         </listitem>
119       </varlistentry>
120
121         <varlistentry>
122           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
123           <listitem>
124             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
125             option</primary></indexterm> GHC normally imports
126             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
127             rather it didn't, then give it a
128             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
129             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
130             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
131             module namespace is flat, and you must not conflict with
132             any Prelude module.)</para>
133
134             <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
135             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
136             Prelude types and values, as specified by the Haskell
137             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
138             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
139             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
140             translation for list comprehensions continues to use
141             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
142
143             <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
144             change the handling of certain built-in syntax: see
145             <xref LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
146
147           </listitem>
148         </varlistentry>
149
150     </variablelist>
151   </sect1>
152
153 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
154 <!--    included from primitives.sgml  -->
155 &primitives;
156
157
158 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
159 <sect1 id="type-extensions">
160 <title>Type system extensions</title>
161
162 <sect2 id="nullary-types">
163 <title>Data types with no constructors</title>
164
165 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
166 a data type with no constructors.  For example:</para>
167
168 <programlisting>
169   data S      -- S :: *
170   data T a    -- T :: * -> *
171 </programlisting>
172
173 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
174 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
175 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
176 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
177
178 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
179 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
180 </sect2>
181
182 <sect2 id="infix-tycons">
183 <title>Infix type constructors</title>
184
185 <para>
186 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
187 like expressions.  More specifically:
188 <itemizedlist>
189 <listitem><para>
190   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
191   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
192   </para></listitem>
193 <listitem><para>
194   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
195   </para></listitem>
196 <listitem><para>
197   Back-quotes work
198   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
199   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
200   </para></listitem>
201 <listitem><para>
202   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
203   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
204   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
205 <screen>
206   infixl 7 T, :*:
207 </screen>
208   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
209   and similarly for <literal>:*:</literal>.
210   <literal>Int `a` Bool</literal>.
211   </para></listitem>
212 <listitem><para>
213   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
214   </para></listitem>
215 <listitem><para>
216   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
217 <screen>
218   data a :*: b = Foo a b
219   type a :+: b = Either a b
220 </screen>
221   </para></listitem>
222 <listitem><para>
223   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
224   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
225   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
226   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
227   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
228   lists.  So for now we just exclude them.
229   </para></listitem>
230
231 </itemizedlist>
232 </para>
233 </sect2>
234
235 <sect2 id="sec-kinding">
236 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
237
238 <para>
239 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
240 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
241 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
242 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
243 John Hughes had to define the data type:
244 <Screen>
245      data Set cxt a = Set [a]
246                     | Unused (cxt a -> ())
247 </Screen>
248 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
249 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
250 </para>
251 <para>
252 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
253 a type variable is explicitly bound.  Namely:
254 <itemizedlist>
255 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
256 <Screen>
257   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
258 </Screen></para></listitem>
259 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
260 <Screen>
261   type T (f :: * -> *) = f Int
262 </Screen></para></listitem>
263 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
264 <Screen>
265   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
266 </Screen></para></listitem>
267 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
268 <Screen>
269   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
270 </Screen></para></listitem>
271 </itemizedlist>
272 </para>
273
274 <para>
275 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
276 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
277 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
278 single lexeme in Haskell.
279 </para>
280
281 <para>
282 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
283 as well.  Thus:
284 <Screen>
285    f :: (Int :: *) -> Int
286    g :: forall a. a -> (a :: *)
287 </Screen>
288 The syntax is
289 <Screen>
290    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
291 </Screen>
292 The parentheses are required.
293 </para>
294 </sect2>
295
296
297 <sect2 id="class-method-types">
298 <title>Class method types
299 </title>
300 <para>
301 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
302 class type variable, thus:
303 <programlisting>
304   class Seq s a where
305     fromList :: [a] -> s a
306     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
307 </programlisting>
308 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
309 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
310 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
311 </para>
312 <para>
313 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
314 </para>
315
316 </sect2>
317
318 <sect2 id="multi-param-type-classes">
319 <title>Multi-parameter type classes
320 </title>
321
322 <para>
323 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
324 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
325 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
326 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
327 Jones, Erik Meijer).
328 </para>
329
330 <para>
331 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
332 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
333 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
334 examples to support several generalisations.  (These appear below as
335 design choices not implemented in 3.02.)
336 </para>
337
338 <para>
339 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
340 will migrate towards the same design choices as I outline here.
341 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
342 feedback.
343 </para>
344
345 <sect3>
346 <title>Types</title>
347
348 <para>
349 There are the following restrictions on the form of a qualified
350 type:
351 </para>
352
353 <para>
354
355 <programlisting>
356   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
357 </programlisting>
358
359 </para>
360
361 <para>
362 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
363 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
364 explicit source-language type signature are universally quantified,
365 except for the class type variables in a class declaration.  However,
366 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
367 </para>
368
369 <para>
370
371 <OrderedList>
372 <listitem>
373
374 <para>
375  <emphasis>Each universally quantified type variable
376 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
377
378 The reason for this is that a value with a type that does not obey
379 this restriction could not be used without introducing
380 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
381
382
383 <programlisting>
384   forall a. Eq a => Int
385 </programlisting>
386
387
388 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
389 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
390 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
391 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
392 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
393 get any more information about <literal>tv</literal>.
394
395 </para>
396 </listitem>
397 <listitem>
398
399 <para>
400  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
401 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
402
403 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
404 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
405
406
407 <programlisting>
408   forall a. C a b => burble
409 </programlisting>
410
411
412 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
413 mention <literal>a</literal>:
414
415
416 <programlisting>
417   forall a. Eq b => burble
418 </programlisting>
419
420
421 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
422 excluded types are never useful or necessary (because the offending
423 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
424 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
425 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
426 territory free in case we need it later.
427
428 </para>
429 </listitem>
430
431 </OrderedList>
432
433 </para>
434
435 <para>
436 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
437 or inferred.
438 </para>
439
440 <para>
441 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
442 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
443 are perfectly OK
444 </para>
445
446 <para>
447
448 <programlisting>
449   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
450   g :: Eq [a] => ...
451 </programlisting>
452
453 </para>
454
455 <para>
456 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
457 </para>
458
459 </sect3>
460
461 <sect3>
462 <title>Class declarations</title>
463
464 <para>
465
466 <OrderedList>
467 <listitem>
468
469 <para>
470  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
471
472
473 <programlisting>
474   class Collection c a where
475     union :: c a -> c a -> c a
476     ...etc.
477 </programlisting>
478
479
480
481 </para>
482 </listitem>
483 <listitem>
484
485 <para>
486  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
487 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
488 this is OK:
489
490
491 <programlisting>
492   class C a where {
493     op :: D b => a -> b -> b
494   }
495
496   class C a => D a where { ... }
497 </programlisting>
498
499
500 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
501 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
502 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
503
504 </para>
505 </listitem>
506 <listitem>
507
508 <para>
509  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
510 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
511 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
512
513
514 <programlisting>
515   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
516     ...
517
518   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
519     lift :: m a -> (t m) a
520 </programlisting>
521
522
523 </para>
524 </listitem>
525 <listitem>
526
527 <para>
528  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
529 must mention at least one type variable that is not a class type
530 variable</emphasis>.
531
532 Thus:
533
534
535 <programlisting>
536   class Collection c a where
537     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
538 </programlisting>
539
540
541 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
542 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
543 <literal>a</literal>.  On the other hand:
544
545
546 <programlisting>
547   class C a where
548     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
549 </programlisting>
550
551
552 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
553 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
554 example is easily fixed by moving the offending context up to the
555 superclass context:
556
557
558 <programlisting>
559   class Eq a => C a where
560     op ::(a,b) -> (a,b)
561 </programlisting>
562
563
564 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
565 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
566 Rule 1(b) for types above.
567
568 </para>
569 </listitem>
570 <listitem>
571
572 <para>
573  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
574 the class type variables</emphasis>.  For example:
575
576
577 <programlisting>
578   class Coll s a where
579     empty  :: s
580     insert :: s -> a -> s
581 </programlisting>
582
583
584 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
585 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
586 types, and has the same motivation.
587
588 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
589 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
590
591
592 <programlisting>
593   class Coll s a where
594     empty  :: s a
595     insert :: s a -> a -> s a
596 </programlisting>
597
598
599 which makes the connection between the type of a collection of
600 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
601 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
602 class like this:
603
604
605 <programlisting>
606   class CollE s where
607     empty  :: s
608
609   class CollE s => Coll s a where
610     insert :: s -> a -> s
611 </programlisting>
612
613
614 </para>
615 </listitem>
616
617 </OrderedList>
618
619 </para>
620
621 </sect3>
622
623 <sect3 id="instance-decls">
624 <title>Instance declarations</title>
625
626 <para>
627
628 <OrderedList>
629 <listitem>
630
631 <para>
632  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
633 declarations
634
635
636 <programlisting>
637   instance context1 => C type1 where ...
638   instance context2 => C type2 where ...
639 </programlisting>
640
641
642 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
643
644 However, if you give the command line option
645 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
646 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
647 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
648 if another instance declaration also applies, either now or later.
649
650 <itemizedlist>
651 <listitem>
652
653 <para>
654  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
655 </para>
656 </listitem>
657 <listitem>
658
659 <para>
660  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
661 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
662 </para>
663 </listitem>
664 </itemizedlist>
665 Notice that these rules
666 <itemizedlist>
667 <listitem>
668
669 <para>
670  make it clear which instance decl to use
671 (pick the most specific one that matches)
672
673 </para>
674 </listitem>
675 <listitem>
676
677 <para>
678  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
679 Reason: you can pick which instance decl
680 "matches" based on the type.
681 </para>
682 </listitem>
683
684 </itemizedlist>
685 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
686 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
687 <programlisting>
688   instance C (Int,a) where ...
689   instance C (a,Bool) where ...
690 </programlisting>
691 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
692 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
693 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
694 </para>
695 <para>
696 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
697 <programlisting>
698   class C a where { op :: a -> a }
699   instance C [Int] where ...
700   instance C a => C [a] where ...
701   
702   f :: C b => [b] -> [b]
703   f x = op x
704 </programlisting>
705 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
706 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
707 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
708 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
709 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
710 the problem of subsequent instantiations.
711 </para>
712 <para>
713 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
714 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
715 instance declarations in the transitive closure of all the modules
716 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
717 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
718 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
719 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
720 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
721
722 </para>
723 </listitem>
724 <listitem>
725
726 <para>
727  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
728 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
729 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
730 example, these are OK:
731
732
733 <programlisting>
734   instance C Int a where ...
735
736   instance D (Int, Int) where ...
737
738   instance E [[a]] where ...
739 </programlisting>
740
741
742 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
743 For example, this is OK:
744
745
746 <programlisting>
747   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
748 </programlisting>
749
750
751 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
752 context reduction terminates: each reduction step removes one type
753 constructor.  For example, the following would make the type checker
754 loop if it wasn't excluded:
755
756
757 <programlisting>
758   instance C a => C a where ...
759 </programlisting>
760
761
762 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
763 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
764 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
765 something more specific does not:
766
767
768 <programlisting>
769   instance C a where
770     op = ... -- Default
771 </programlisting>
772
773
774 Second, sometimes you might want to use the following to get the
775 effect of a "class synonym":
776
777
778 <programlisting>
779   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
780
781   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
782 </programlisting>
783
784
785 This allows you to write shorter signatures:
786
787
788 <programlisting>
789   f :: C a => ...
790 </programlisting>
791
792
793 instead of
794
795
796 <programlisting>
797   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
798 </programlisting>
799
800
801 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
802 allowing these idioms.  The experimental flag
803 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
804 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
805 instance head to be type variables.
806
807 </para>
808 </listitem>
809 <listitem>
810
811 <para>
812  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
813 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
814 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
815
816
817 <programlisting>
818   type Point = (Int,Int)
819   instance C Point   where ...
820   instance C [Point] where ...
821 </programlisting>
822
823
824 is legal.  However, if you added
825
826
827 <programlisting>
828   instance C (Int,Int) where ...
829 </programlisting>
830
831
832 as well, then the compiler will complain about the overlapping
833 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
834 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
835
836
837 <programlisting>
838   type P a = [[a]]
839   instance Monad P where ...
840 </programlisting>
841
842
843 This design decision is independent of all the others, and easily
844 reversed, but it makes sense to me.
845
846 </para>
847 </listitem>
848 <listitem>
849
850 <para>
851 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
852 be type variables</emphasis>. Thus
853
854
855 <programlisting>
856 instance C a b => Eq (a,b) where ...
857 </programlisting>
858
859
860 is OK, but
861
862
863 <programlisting>
864 instance C Int b => Foo b where ...
865 </programlisting>
866
867
868 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
869 reduction terminates.
870
871 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
872 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
873 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
874 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
875 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
876 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
877 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
878
879 </para>
880 </listitem>
881
882 </OrderedList>
883
884 </para>
885
886 </sect3>
887
888 </sect2>
889
890 <sect2 id="implicit-parameters">
891 <title>Implicit parameters
892 </title>
893
894 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
895 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
896 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
897 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
898 Boston, Jan 2000.
899 </para>
900 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
901 <para>
902 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
903 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
904 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
905 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
906 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
907 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
908 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
909 only support static scoping of variables.
910 </para>
911 <para>
912 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
913 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
914 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
915 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
916 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
917 of type <literal>t'</literal>". For
918 example, the following expresses the type of a sort function,
919 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
920 <programlisting>
921   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
922 </programlisting>
923 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
924 </para>
925 <para>
926 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
927 where <literal>x</literal> is
928 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
929 dynamic binding constraints. For example, the following definition
930 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
931 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
932 <programlisting>
933   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
934
935   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
936   sort    = sortBy ?cmp
937 </programlisting>
938 Dynamic binding constraints behave just like other type class
939 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
940 function is used, its implicit parameters are inherited by the
941 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
942 to pick out the least value in a list:
943 <programlisting>
944   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
945   least xs = fst (sort xs)
946 </programlisting>
947 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
948 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
949 parameters, the default is that parameters must always be explicit
950 propagated. With implicit parameters, the default is to always
951 propagate them.
952 </para>
953 <para>
954 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
955 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
956 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
957 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
958 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
959 class constraints.
960 </para>
961 <para>
962 An implicit parameter is bound using the standard
963 <literal>let</literal> binding form, where the bindings must be a
964 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
965 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
966 neither polymorphic or recursive. This form binds the implicit
967 parameters arising in the body, not the free variables as a
968 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> would do. For
969 example, we define the <literal>min</literal> function by binding
970 <literal>cmp</literal>.</para>
971 <programlisting>
972   min :: [a] -> a
973   min  = let ?cmp = (<=) in least
974 </programlisting>
975 <para>
976 Note the following additional constraints:
977 <itemizedlist>
978 <listitem>
979 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
980 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
981 <programlisting>
982   class (?x::Int) => C a where ...
983   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
984 </programlisting>
985 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
986 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
987 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
988 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
989 </listitem>
990 </itemizedlist>
991 </para>
992
993 </sect2>
994
995 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
996 <title>Linear implicit parameters
997 </title>
998 <para>
999 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1000 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1001 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1002 </para>
1003 <itemizedlist>
1004 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1005 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1006 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1007 </itemizedlist>
1008
1009 <para>
1010 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1011 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1012 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1013 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1014 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1015 </para>
1016 <para>
1017 For example:
1018 <programlisting>
1019     import GHC.Exts( Splittable )
1020
1021     data NameSupply = ...
1022     
1023     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1024     newName :: NameSupply -> Name
1025
1026     instance Splittable NameSupply where
1027         split = splitNS
1028
1029
1030     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1031     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1032                     where
1033                       x'   = newName %ns
1034                       env' = extend env x x'
1035     ...more equations for f...
1036 </programlisting>
1037 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1038 <itemizedlist>
1039 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1040 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1041 </itemizedlist>
1042 </para>
1043 <para>
1044 So the translation done by the type checker makes
1045 the parameter explicit:
1046 <programlisting>
1047     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1048     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1049                        where
1050                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1051                          x' = newName ns2
1052                          env = extend env x x'
1053 </programlisting>
1054 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1055 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1056 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1057 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
1058 <programlisting>
1059         class Splittable a where
1060           split :: a -> (a,a)
1061 </programlisting>
1062 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1063 split for name supplies.  But we can simply write
1064 <programlisting>
1065         g x = (x, %ns, %ns)
1066 </programlisting>
1067 and GHC will infer
1068 <programlisting>
1069         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1070 </programlisting>
1071 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1072 <literal>GHC.Exts</literal>.
1073 </para>
1074 <para>
1075 Other points:
1076 <itemizedlist>
1077 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1078 are entirely distinct implicit parameters: you 
1079   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1080 </listitem>
1081
1082 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1083
1084 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1085   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1086 </itemizedlist>
1087 </para>
1088
1089 <sect3><title>Warnings</title>
1090
1091 <para>
1092 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1093 Consider the example above:
1094 <programlisting>
1095     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1096     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1097                     where
1098                       x'   = newName %ns
1099                       env' = extend env x x'
1100 </programlisting>
1101 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1102 usually a harmless thing to do, we get:
1103 <programlisting>
1104     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1105     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1106                     where
1107                       env' = extend env x (newName %ns)
1108 </programlisting>
1109 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1110 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1111 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1112 the beta rule.
1113 </para>
1114 <para>
1115 Well, this is an experimental change.  With implicit
1116 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1117 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1118 Haskell programs without knowing their typing.
1119 </para>
1120
1121 </sect3>
1122
1123 </sect2>
1124
1125 <sect2 id="functional-dependencies">
1126 <title>Functional dependencies
1127 </title>
1128
1129 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1130 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1131 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1132 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1133 </para>
1134
1135 <para>
1136 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1137 </para>
1138 </sect2>
1139
1140
1141 <sect2 id="universal-quantification">
1142 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1143 </title>
1144
1145 <para>
1146 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1147 allows us to say exactly what this means.  For example:
1148 </para>
1149 <para>
1150 <programlisting>
1151         g :: b -> b
1152 </programlisting>
1153 means this:
1154 <programlisting>
1155         g :: forall b. (b -> b)
1156 </programlisting>
1157 The two are treated identically.
1158 </para>
1159
1160 <para>
1161 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1162 explicit universal quantification in
1163 types. 
1164 For example, all the following types are legal:
1165 <programlisting>
1166     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1167     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1168
1169     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1170     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1171
1172     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1173 </programlisting>
1174 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1175 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1176 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1177 is implicitly added by Haskell.
1178 </para>
1179 <para>
1180 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1181 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1182 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1183 </para>
1184 <para>
1185 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1186 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1187 </para>
1188 <para>
1189 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1190 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1191 that restriction has now been lifted.)
1192 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1193 including an operational type class context, is legal:
1194 <itemizedlist>
1195 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1196 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1197 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1198 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1199 field type signatures.</para> </listitem>
1200 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1201 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1202 </itemizedlist>
1203 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1204 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1205 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1206 <programlisting>
1207     x1 :: [forall a. a->a]
1208     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1209     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1210 </programlisting>
1211 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1212 a type variable any more!
1213 </para>
1214
1215
1216 <sect3 id="univ">
1217 <title>Examples
1218 </title>
1219
1220 <para>
1221 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1222 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1223 </para>
1224
1225 <para>
1226
1227 <programlisting>
1228 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1229
1230 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1231                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1232                         }
1233
1234 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1235 </programlisting>
1236
1237 </para>
1238
1239 <para>
1240 The constructors have rank-2 types:
1241 </para>
1242
1243 <para>
1244
1245 <programlisting>
1246 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1247 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1248                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1249                   -> MonadT m
1250 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1251 </programlisting>
1252
1253 </para>
1254
1255 <para>
1256 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1257 explicit context.  For example in the first argument of the
1258 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1259 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1260 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1261 mentioned in the type quantified over.
1262 </para>
1263
1264 <para>
1265 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1266 types too.  So if you write this:
1267
1268 <programlisting>
1269   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1270 </programlisting>
1271
1272 it's just as if you had written this:
1273
1274 <programlisting>
1275   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1276 </programlisting>
1277
1278 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1279 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1280 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1281 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1282 </para>
1283
1284 <para>
1285 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1286 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1287 </para>
1288
1289 <para>
1290
1291 <programlisting>
1292     a1 :: T Int
1293     a1 = T1 (\xy->x) 3
1294     
1295     a2, a3 :: Swizzle
1296     a2 = MkSwizzle sort
1297     a3 = MkSwizzle reverse
1298     
1299     a4 :: MonadT Maybe
1300     a4 = let r x = Just x
1301              b m k = case m of
1302                        Just y -> k y
1303                        Nothing -> Nothing
1304          in
1305          MkMonad r b
1306
1307     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1308     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1309 </programlisting>
1310
1311 </para>
1312
1313 <para>
1314 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1315 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1316 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1317 </para>
1318
1319 <para>
1320 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1321 polymorphic types.  For example:
1322 </para>
1323
1324 <para>
1325
1326 <programlisting>
1327     f :: T a -> a -> (a, Char)
1328     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1329
1330     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1331     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1332
1333     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1334     h m [] = return m []
1335     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1336                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1337                  return m (y:ys)
1338 </programlisting>
1339
1340 </para>
1341
1342 <para>
1343 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1344 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1345 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1346 matching.
1347 </para>
1348 </sect3>
1349
1350 <sect3>
1351 <title>Type inference</title>
1352
1353 <para>
1354 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1355 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1356 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1357 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1358 </para>
1359 <para>
1360 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1361 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1362 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1363 </para>
1364 <para>
1365 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1366 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1367 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1368 <programlisting>
1369      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1370 </programlisting>
1371 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1372 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1373 <programlisting>
1374      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1375 </programlisting>
1376 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1377 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1378 one can give a type signature for the function itself:
1379 <programlisting>
1380      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1381      h f = (f True, f 'c')
1382 </programlisting>
1383 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1384 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1385 <programlisting>
1386     f :: T a -> a -> (a, Char)
1387     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1388 </programlisting>
1389 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1390 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1391 it needs to know.
1392 </para>
1393
1394 </sect3>
1395
1396
1397 <sect3 id="implicit-quant">
1398 <title>Implicit quantification</title>
1399
1400 <para>
1401 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1402 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1403 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1404 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1405 equivalent:
1406 <programlisting>
1407   f :: a -> a
1408   f :: forall a. a -> a
1409
1410   g (x::a) = let
1411                 h :: a -> b -> b
1412                 h x y = y
1413              in ...
1414   g (x::a) = let
1415                 h :: forall b. a -> b -> b
1416                 h x y = y
1417              in ...
1418 </programlisting>
1419 </para>
1420 <para>
1421 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1422 point.  For example:
1423 <programlisting>
1424   f :: (a -> a) -> Int
1425            -- MEANS
1426   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1427            -- NOT
1428   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1429
1430
1431   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1432            -- MEANS the illegal type
1433   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1434            -- NOT
1435   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1436 </programlisting>
1437 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1438 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1439 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1440 for rank-2 types.
1441 </para>
1442 </sect3>
1443 </sect2>
1444
1445 <sect2 id="type-synonyms">
1446 <title>Liberalised type synonyms 
1447 </title>
1448
1449 <para>
1450 Type synonmys are like macros at the type level, and
1451 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1452 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1453 <itemizedlist>
1454 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1455 in a type synonym, thus:
1456 <programlisting>
1457   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1458
1459   f :: Discard a
1460   f x y = (x, show y)
1461
1462   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1463   g f = f Int True
1464 </programlisting>
1465 </para>
1466 </listitem>
1467
1468 <listitem><para>
1469 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1470 <programlisting>
1471   type Pr = (# Int, Int #)
1472
1473   h :: Int -> Pr
1474   h x = (# x, x #)
1475 </programlisting>
1476 </para></listitem>
1477
1478 <listitem><para>
1479 You can apply a type synonym to a forall type:
1480 <programlisting>
1481   type Foo a = a -> a -> Bool
1482  
1483   f :: Foo (forall b. b->b)
1484 </programlisting>
1485 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1486 <programlisting>
1487   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1488 </programlisting>
1489 </para></listitem>
1490
1491 <listitem><para>
1492 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1493 <programlisting>
1494   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1495   type Id x = x
1496   
1497   foo :: Generic Id []
1498 </programlisting>
1499 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1500 <programlisting>
1501   foo :: forall x. x -> [x]
1502 </programlisting>
1503 </para></listitem>
1504
1505 </itemizedlist>
1506 </para>
1507
1508 <para>
1509 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1510 could be changed.)
1511 </para>
1512 <para>
1513 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1514 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1515 <itemizedlist>
1516 <listitem><para>
1517 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1518 </para></listitem>
1519 <listitem><para>
1520 Unboxed tuple on left of an arrow.
1521 </para></listitem>
1522 <listitem><para>
1523 Partially-applied type synonym.
1524 </para></listitem>
1525 </itemizedlist>
1526 So, for example,
1527 this will be rejected:
1528 <programlisting>
1529   type Pr = (# Int, Int #)
1530
1531   h :: Pr -> Int
1532   h x = ...
1533 </programlisting>
1534 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1535 </para>
1536 </sect2>
1537
1538 <sect2 id="hoist">
1539 <title>For-all hoisting</title>
1540 <para>
1541 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
1542 end of an arrow, thus:
1543 <programlisting>
1544   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1545
1546   g :: Int -> Discard Int
1547   g x y z = x+y
1548 </programlisting>
1549 Simply expanding the type synonym would give
1550 <programlisting>
1551   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1552 </programlisting>
1553 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1554 <programlisting>
1555   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1556 </programlisting>
1557 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1558 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1559 performs the transformation:</emphasis>
1560 <programlisting>
1561   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1562 ==>
1563   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1564 </programlisting>
1565 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1566 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1567 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1568 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1569 <programlisting>
1570   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1571 </programlisting>
1572 </para>
1573 </sect2>
1574
1575
1576 <sect2 id="existential-quantification">
1577 <title>Existentially quantified data constructors
1578 </title>
1579
1580 <para>
1581 The idea of using existential quantification in data type declarations
1582 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1583 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1584 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1585 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1586 </para>
1587
1588 <para>
1589
1590 <programlisting>
1591   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1592            | Nil
1593 </programlisting>
1594
1595 </para>
1596
1597 <para>
1598 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1599 </para>
1600
1601 <para>
1602
1603 <programlisting>
1604   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1605   Nil   :: Foo
1606 </programlisting>
1607
1608 </para>
1609
1610 <para>
1611 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1612 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1613 For example, the following expression is fine:
1614 </para>
1615
1616 <para>
1617
1618 <programlisting>
1619   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1620 </programlisting>
1621
1622 </para>
1623
1624 <para>
1625 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1626 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1627 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1628 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1629 </para>
1630
1631 <para>
1632 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1633 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1634 </para>
1635
1636 <para>
1637
1638 <programlisting>
1639   f (MkFoo val fn) = ???
1640 </programlisting>
1641
1642 </para>
1643
1644 <para>
1645 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1646 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1647 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1648 </para>
1649
1650 <para>
1651
1652 <programlisting>
1653   f :: Foo -> Bool
1654   f (MkFoo val fn) = fn val
1655 </programlisting>
1656
1657 </para>
1658
1659 <para>
1660 What this allows us to do is to package heterogenous values
1661 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1662 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1663 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1664 </para>
1665
1666 <sect3 id="existential">
1667 <title>Why existential?
1668 </title>
1669
1670 <para>
1671 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1672 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1673 </para>
1674
1675 <para>
1676
1677 <programlisting>
1678   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1679 </programlisting>
1680
1681 </para>
1682
1683 <para>
1684 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1685 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1686 adding a new existential quantification construct.
1687 </para>
1688
1689 </sect3>
1690
1691 <sect3>
1692 <title>Type classes</title>
1693
1694 <para>
1695 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1696 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1697 </para>
1698
1699 <para>
1700
1701 <programlisting>
1702 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1703          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1704 </programlisting>
1705
1706 </para>
1707
1708 <para>
1709 The two constructors have the types you'd expect:
1710 </para>
1711
1712 <para>
1713
1714 <programlisting>
1715 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1716 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1717 </programlisting>
1718
1719 </para>
1720
1721 <para>
1722 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1723 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1724 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1725 So this program is legal:
1726 </para>
1727
1728 <para>
1729
1730 <programlisting>
1731   f :: Baz -> String
1732   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1733                | otherwise = "No"
1734   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1735 </programlisting>
1736
1737 </para>
1738
1739 <para>
1740 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1741 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1742 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1743 extract it on pattern matching.
1744 </para>
1745
1746 <para>
1747 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1748 universal quantification earlier.
1749 </para>
1750
1751 </sect3>
1752
1753 <sect3>
1754 <title>Restrictions</title>
1755
1756 <para>
1757 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1758 constructors can be use.
1759 </para>
1760
1761 <para>
1762
1763 <itemizedlist>
1764 <listitem>
1765
1766 <para>
1767  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1768 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1769 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1770 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1771
1772
1773 <programlisting>
1774 f1 (MkFoo a f) = a
1775 </programlisting>
1776
1777
1778 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1779 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1780 ask what type <function>f1</function> has:
1781
1782
1783 <programlisting>
1784   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1785 </programlisting>
1786
1787
1788 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1789 this:
1790
1791
1792 <programlisting>
1793   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1794 </programlisting>
1795
1796
1797 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1798
1799
1800 <programlisting>
1801   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1802 </programlisting>
1803
1804
1805 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1806 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1807 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1808
1809
1810 </para>
1811 </listitem>
1812 <listitem>
1813
1814 <para>
1815 You can't pattern-match on an existentially quantified
1816 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1817 bindings. So this is illegal:
1818
1819
1820 <programlisting>
1821   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1822 </programlisting>
1823
1824
1825 You can only pattern-match
1826 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1827 in the patterns of a function definition.
1828
1829 The reason for this restriction is really an implementation one.
1830 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1831 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1832 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1833 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1834 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1835 annoying it is.
1836
1837 </para>
1838 </listitem>
1839 <listitem>
1840
1841 <para>
1842 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1843 declarations.  So this is illegal:
1844
1845
1846 <programlisting>
1847   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1848 </programlisting>
1849
1850
1851 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
1852 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
1853 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
1854 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
1855 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
1856 overloading involved, then there is more of a case for allowing
1857 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
1858 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
1859 but single-field existentially quantified constructors aren't much
1860 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
1861 stands, unless there are convincing reasons to change it.
1862
1863
1864 </para>
1865 </listitem>
1866 <listitem>
1867
1868 <para>
1869  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1870 data type with existentially quantified data constructors.
1871
1872 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1873
1874 <programlisting>
1875 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1876 </programlisting>
1877
1878 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1879 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1880
1881 <programlisting>
1882 instance Eq T where
1883   (MkT a) == (MkT b) = ???
1884 </programlisting>
1885
1886 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1887 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1888 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1889 declarations.  Define your own instances!
1890 </para>
1891 </listitem>
1892
1893 </itemizedlist>
1894
1895 </para>
1896
1897 </sect3>
1898
1899 </sect2>
1900
1901 <sect2 id="scoped-type-variables">
1902 <title>Scoped type variables
1903 </title>
1904
1905 <para>
1906 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
1907 variable</emphasis>.  For example
1908 </para>
1909
1910 <para>
1911
1912 <programlisting>
1913 f (xs::[a]) = ys ++ ys
1914            where
1915               ys :: [a]
1916               ys = reverse xs
1917 </programlisting>
1918
1919 </para>
1920
1921 <para>
1922 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
1923 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
1924 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
1925 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
1926 </para>
1927
1928 <para>
1929  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
1930 type signatures.  The two can be used independently or together.
1931 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
1932 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
1933 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
1934 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
1935 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
1936 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
1937 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
1938 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
1939 it becomes possible to do so.
1940 </para>
1941
1942 <para>
1943 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
1944 implementations differ from the specification below, those differences
1945 are noted.
1946 </para>
1947
1948 <para>
1949 So much for the basic idea.  Here are the details.
1950 </para>
1951
1952 <sect3>
1953 <title>What a pattern type signature means</title>
1954 <para>
1955 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
1956 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
1957 of the same name mean the same type.  For example:
1958 <programlisting>
1959   f :: [Int] -> Int -> Int
1960   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
1961 </programlisting>
1962 The pattern type signatures on the left hand side of
1963 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
1964 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
1965 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
1966 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
1967 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
1968 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
1969 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
1970 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
1971 For example, all of these are legal:</para>
1972
1973 <programlisting>
1974   t (x::a) (y::a) = x+y*2
1975
1976   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
1977
1978   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
1979
1980   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
1981         in k x                  -- environment
1982
1983   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
1984   k (x::Int) False = ...
1985
1986   w :: [b] -> [b]
1987   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
1988 </programlisting>
1989
1990 </sect3>
1991
1992 <sect3>
1993 <title>Scope and implicit quantification</title>
1994
1995 <para>
1996
1997 <itemizedlist>
1998 <listitem>
1999
2000 <para>
2001 All the type variables mentioned in a pattern,
2002 that are not already in scope,
2003 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2004 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2005 For example:
2006 <programlisting>
2007   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2008              in
2009              g (x,True)
2010 </programlisting>
2011 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2012 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2013 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2014 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2015 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2016 </para>
2017 </listitem>
2018
2019 <listitem>
2020 <para>
2021 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2022 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2023 <programlisting>
2024   let
2025     f (x::a) = <...rhs of f...>
2026     (p::b, q::b) = (1,2)
2027   in <...body of let...>
2028 </programlisting>
2029 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2030 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2031 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2032 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2033 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2034 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2035 </para>
2036 </listitem>
2037
2038
2039 <listitem>
2040 <para>
2041 The type variables bound by the pattern may be 
2042 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2043 type signatures anywhere within their scope.
2044
2045 </para>
2046 </listitem>
2047
2048 <listitem>
2049 <para>
2050  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2051 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2052
2053 </para>
2054 </listitem>
2055
2056 <listitem>
2057
2058 <para>
2059  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2060 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2061
2062 <programlisting>
2063   f :: a -> a
2064   f x = x::a
2065 </programlisting>
2066
2067 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2068 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2069 and that is an incorrect typing.
2070
2071 </para>
2072 </listitem>
2073
2074 <listitem>
2075 <para>
2076 The pattern type signature is a monotype:
2077 </para>
2078
2079 <itemizedlist>
2080 <listitem> <para> 
2081 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2082 </para> </listitem>
2083
2084 <listitem>  <para> 
2085 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2086 not to type schemes.
2087 </para> </listitem>
2088
2089 <listitem>  <para> 
2090 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2091 ordinary type signatures).
2092 </para> </listitem>
2093
2094 </itemizedlist>
2095
2096 </listitem>
2097
2098 <listitem>
2099 <para>
2100
2101 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2102 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2103
2104
2105 <programlisting>
2106   class C a where
2107     op :: [a] -> a
2108
2109     op xs = let ys::[a]
2110                 ys = reverse xs
2111             in
2112             head ys
2113 </programlisting>
2114
2115
2116 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2117 </para>
2118 </listitem>
2119
2120 </itemizedlist>
2121
2122 </para>
2123
2124 </sect3>
2125
2126 <sect3>
2127 <title>Result type signatures</title>
2128
2129 <para>
2130
2131 <itemizedlist>
2132 <listitem>
2133
2134 <para>
2135  The result type of a function can be given a signature,
2136 thus:
2137
2138
2139 <programlisting>
2140   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2141 </programlisting>
2142
2143
2144 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2145 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2146 you want:
2147
2148
2149 <programlisting>
2150   f :: Int -> [a] -> [a]
2151   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2152                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2153 </programlisting>
2154
2155
2156 </para>
2157 </listitem>
2158
2159 </itemizedlist>
2160
2161 </para>
2162
2163 <para>
2164 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2165 </para>
2166
2167 </sect3>
2168
2169 <sect3>
2170 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2171
2172 <para>
2173 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2174 <itemizedlist>
2175
2176 <listitem>
2177 <para>
2178 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2179 ust on a variable:
2180
2181
2182 <programlisting>
2183   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2184 </programlisting>
2185
2186
2187 </para>
2188 </listitem>
2189 <listitem>
2190
2191 <para>
2192  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2193 in lambda abstractions:
2194
2195 <programlisting>
2196   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2197 </programlisting>
2198 </para>
2199 </listitem>
2200 <listitem>
2201
2202 <para>
2203  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2204 in <literal>case</literal> expressions:
2205
2206
2207 <programlisting>
2208   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2209 </programlisting>
2210
2211 </para>
2212 </listitem>
2213
2214 <listitem>
2215 <para>
2216 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2217 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2218 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2219 consider how one would parse this:
2220
2221
2222 <programlisting>
2223   \ x :: a -> b -> x
2224 </programlisting>
2225
2226
2227 </para>
2228 </listitem>
2229
2230 <listitem>
2231
2232 <para>
2233  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2234 For example:
2235
2236
2237 <programlisting>
2238   data T = forall a. MkT [a]
2239
2240   f :: T -> T
2241   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2242                  where
2243                    t3::[a] = [t,t,t]
2244 </programlisting>
2245
2246
2247 </para>
2248 </listitem>
2249
2250
2251 <listitem>
2252
2253 <para>
2254 Pattern type signatures 
2255 can be used in pattern bindings:
2256
2257 <programlisting>
2258   f x = let (y, z::a) = x in ...
2259   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2260   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2261   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2262 </programlisting>
2263
2264 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2265 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2266 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2267 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2268 In contrast, the binding
2269 <programlisting>
2270   f4 :: b->b
2271   f4 = \x -> x
2272 </programlisting>
2273 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2274 in <literal>f4</literal>'s scope.
2275
2276 </para>
2277 </listitem>
2278 </itemizedlist>
2279 </para>
2280
2281 </sect3>
2282 </sect2>
2283
2284
2285 </sect1>
2286 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
2287   
2288
2289 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
2290
2291 <sect1 id="sec-assertions">
2292 <title>Assertions
2293 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2294 </title>
2295
2296 <para>
2297 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2298 could define a function like the following:
2299 </para>
2300
2301 <para>
2302
2303 <programlisting>
2304 assert :: Bool -> a -> a
2305 assert False x = error "assertion failed!"
2306 assert _     x = x
2307 </programlisting>
2308
2309 </para>
2310
2311 <para>
2312 which works, but gives you back a less than useful error message --
2313 an assertion failed, but which and where?
2314 </para>
2315
2316 <para>
2317 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2318 takes a descriptive string to include in the error message and
2319 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2320 the source location where <function>assert</function> was used.
2321 </para>
2322
2323 <para>
2324 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2325 use of <function>assert</function> in the user's source:
2326 </para>
2327
2328 <para>
2329
2330 <programlisting>
2331 kelvinToC :: Double -> Double
2332 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2333 </programlisting>
2334
2335 </para>
2336
2337 <para>
2338 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2339 assertion was made,
2340 </para>
2341
2342 <para>
2343
2344 <programlisting>
2345 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2346 </programlisting>
2347
2348 </para>
2349
2350 <para>
2351 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2352 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
2353 can still define and use your own versions of
2354 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
2355 <literal>Control.Exception</literal> to make use
2356 <function>assert</function> in your code.
2357 </para>
2358
2359 <para>
2360 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2361 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
2362 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
2363 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
2364 <literal>e</literal>.
2365 </para>
2366
2367 <para>
2368 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2369 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
2370 </para>
2371
2372 </sect1>
2373
2374
2375 <sect1 id="syntax-extns">
2376 <title>Syntactic extensions</title>
2377
2378 <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
2379
2380     <sect2 id="hierarchical-modules">
2381       <title>Hierarchical Modules</title>
2382
2383       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
2384       names: a module name is allowed to contain a dot
2385       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
2386       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
2387       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
2388       more flexible hierarchy of modules.</para>
2389
2390       <para>This extension has very little impact on the language
2391       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
2392       qualified, so you can just think of the fully qualified module
2393       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
2394       means that the full module name must be given after the
2395       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
2396       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
2397       begin</para>
2398
2399 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
2400
2401
2402       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
2403       keyword to save some typing when using qualified names with
2404       hierarchical modules.  For example:</para>
2405
2406 <programlisting>
2407 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
2408 </programlisting>
2409
2410       <para>Hierarchical modules have an impact on the way that GHC
2411       searches for files.  For a description, see <xref
2412       linkend="finding-hierarchical-modules">.</para>
2413
2414       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
2415       hierarchically; see the accompanying library documentation.
2416       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
2417       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
2418       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
2419       current status of that project.  For more details, see <ulink
2420       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
2421       Libraries</ulink>.</para>
2422
2423     </sect2>
2424
2425 <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
2426
2427 <sect2 id="pattern-guards">
2428 <title>Pattern guards</title>
2429
2430 <para>
2431 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
2432 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.)
2433 </para>
2434
2435 <para>
2436 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
2437 lookup operation:
2438
2439 <programlisting>
2440 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
2441 </programlisting>
2442
2443 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
2444 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
2445 </para>
2446
2447 <programlisting>
2448 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
2449 | otherwise  = var1 + var2
2450 where
2451   m1 = lookup env var1
2452   m2 = lookup env var2
2453   ok1 = maybeToBool m1
2454   ok2 = maybeToBool m2
2455   val1 = expectJust m1
2456   val2 = expectJust m2
2457 </programlisting>
2458
2459 <para>
2460 The auxiliary functions are 
2461 </para>
2462
2463 <programlisting>
2464 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
2465 maybeToBool (Just x) = True
2466 maybeToBool Nothing  = False
2467
2468 expectJust :: Maybe a -&gt; a
2469 expectJust (Just x) = x
2470 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
2471 </programlisting>
2472
2473 <para>
2474 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
2475 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
2476 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
2477 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
2478 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
2479 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
2480 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
2481 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
2482 </para>
2483
2484 <para>
2485 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
2486 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
2487 to write clunky would be to use case expressions:
2488 </para>
2489
2490 <programlisting>
2491 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
2492   Nothing -&gt; fail
2493   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
2494     Nothing -&gt; fail
2495     Just val2 -&gt; val1 + val2
2496 where
2497   fail = val1 + val2
2498 </programlisting>
2499
2500 <para>
2501 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
2502 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
2503 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
2504 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
2505 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
2506 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
2507 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
2508 tends to become more and more indented. 
2509 </para>
2510
2511 <para>
2512 Here is how I would write clunky:
2513 </para>
2514
2515 <programlisting>
2516 clunky env var1 var1
2517   | Just val1 &lt;- lookup env var1
2518   , Just val2 &lt;- lookup env var2
2519   = val1 + val2
2520 ...other equations for clunky...
2521 </programlisting>
2522
2523 <para>
2524 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
2525 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
2526 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
2527 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
2528 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
2529 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
2530 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
2531 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
2532 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
2533 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
2534 </para>
2535
2536 <para>
2537 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
2538 with among the pattern guards.  For example:
2539 </para>
2540
2541 <programlisting>
2542 f x | [y] <- x
2543     , y > 3
2544     , Just z <- h y
2545     = ...
2546 </programlisting>
2547
2548 <para>
2549 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
2550 qualifier list has just one element, a boolean expression.
2551 </para>
2552 </sect2>
2553
2554 <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
2555
2556   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
2557     <title>Parallel List Comprehensions</title>
2558     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
2559     </indexterm>
2560     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
2561     </indexterm>
2562
2563     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
2564     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
2565     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
2566     extend this to include the zipWith family.</para>
2567
2568     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
2569     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
2570     example, the following zips together two lists:</para>
2571
2572 <programlisting>
2573    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
2574 </programlisting>
2575
2576     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
2577     zip, in that the resulting list will have the same length as the
2578     shortest branch.</para>
2579
2580     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
2581     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
2582
2583     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
2584
2585 <programlisting>
2586    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
2587        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
2588        ... 
2589    ] 
2590 </programlisting>
2591
2592     <para>This will be translated to: </para>
2593
2594 <programlisting>
2595    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
2596                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
2597                                          ... 
2598    ] 
2599 </programlisting>
2600
2601     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
2602     branches.</para>
2603
2604   </sect2>
2605
2606 <sect2 id="rebindable-syntax">
2607 <title>Rebindable syntax</title>
2608
2609
2610       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
2611       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
2612       with a home-grown version, for example.</para>
2613
2614             <para>You may want to define your own numeric class
2615             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
2616             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
2617             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
2618             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
2619             the following pieces of built-in syntax to refer to
2620             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
2621             versions:</para>
2622
2623             <itemizedlist>
2624               <listitem>
2625                 <para>Integer and fractional literals mean
2626                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
2627                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
2628                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
2629                 patterns. </para>
2630                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
2631                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
2632               </listitem>
2633
2634               <listitem>
2635                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
2636                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
2637                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
2638               </listitem>
2639
2640               <listitem>
2641                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
2642                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
2643                 but the necessary subtraction uses whatever
2644                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
2645                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
2646               </listitem>
2647
2648               <listitem>
2649           <para>"Do" notation is translated using whatever
2650               functions <literal>(>>=)</literal>,
2651               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
2652               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
2653               versions).  List comprehensions, and parallel array
2654               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
2655             </itemizedlist>
2656
2657              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
2658              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
2659              must have the appropriate types, namely:
2660              <screen>
2661                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
2662                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
2663                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
2664                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
2665                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
2666                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
2667                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
2668                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
2669              </screen>
2670              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
2671              is up to you.)
2672              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
2673              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
2674              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
2675
2676 </sect2>
2677 </sect1>
2678
2679 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
2680
2681   <sect1 id="pragmas">
2682     <title>Pragmas</title>
2683
2684     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2685
2686     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2687     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2688     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2689     of the generated code.</para>
2690
2691     <para>Pragmas all take the form
2692
2693 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2694
2695     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2696     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2697     type of pragma.  Case is ignored in
2698     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2699     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2700     in the following sections; any pragma encountered with an
2701     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2702     ignored.</para>
2703
2704 <sect2 id="inline-pragma">
2705 <title>INLINE pragma
2706
2707 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2708 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2709
2710 <para>
2711 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2712 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2713 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2714 </para>
2715
2716 <para>
2717 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2718 interface files.
2719 </para>
2720
2721 <para>
2722 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2723 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2724 use.
2725 </para>
2726
2727 <para>
2728 The sledgehammer you can bring to bear is the
2729 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2730
2731 <programlisting>
2732 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2733
2734 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2735 {-# INLINE key_function #-}
2736 #endif
2737 </programlisting>
2738
2739 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2740 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2741 </para>
2742
2743 <para>
2744 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2745 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2746 very keen to inline it.
2747 </para>
2748
2749 <para>
2750 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2751 signature could be put.
2752 </para>
2753
2754 <para>
2755 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2756 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2757 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2758
2759 <programlisting>
2760 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2761 {-# INLINE thenUs #-}
2762 {-# INLINE returnUs #-}
2763 #endif
2764 </programlisting>
2765
2766 </para>
2767
2768 </sect2>
2769
2770 <sect2 id="noinline-pragma">
2771 <title>NOINLINE pragma
2772 </title>
2773
2774 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2775 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2776 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2777 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2778
2779 <para>
2780 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2781 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2782 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2783 size.
2784 </para>
2785
2786 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2787 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2788 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2789 used if you want your code to be portable).</para>
2790
2791 </sect2>
2792
2793     <sect2 id="specialize-pragma">
2794       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2795
2796       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2797       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2798       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2799
2800       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2801       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2802       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2803       overloaded function:</para>
2804
2805 <programlisting>
2806 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2807 </programlisting>
2808
2809       <para>If it is heavily used on lists with
2810       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2811       follows:</para>
2812
2813 <programlisting>
2814 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2815 </programlisting>
2816
2817       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2818       to use for the specialised value, as in:</para>
2819
2820 <programlisting>
2821 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2822 </programlisting>
2823
2824       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2825       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2826       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2827       Responsibility</emphasis> to make sure that
2828       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2829       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2830
2831       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2832       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2833       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2834       <xref linkend="rules"> for more information on
2835       <literal>RULES</literal>.</para>
2836
2837       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2838       specialisation will Win Big:
2839
2840 <programlisting>
2841 toDouble :: Real a => a -> Double
2842 toDouble = fromRational . toRational
2843
2844 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2845 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2846 </programlisting>
2847
2848       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2849       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2850       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2851       comparison.</para>
2852
2853       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2854       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2855
2856     </sect2>
2857
2858 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2859 <title>SPECIALIZE instance pragma
2860 </title>
2861
2862 <para>
2863 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2864 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2865 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2866
2867 <programlisting>
2868 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2869    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2870    ... usual stuff ...
2871  }
2872 </programlisting>
2873 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2874 of the instance declaration.
2875 </para>
2876 <para>
2877 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2878 of the pragma.
2879 </para>
2880
2881 </sect2>
2882
2883 <sect2 id="line-pragma">
2884 <title>LINE pragma
2885 </title>
2886
2887 <para>
2888 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2889 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2890 </para>
2891
2892 <para>
2893 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2894 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2895 number and filename of the original code; for example
2896 </para>
2897
2898 <para>
2899
2900 <programlisting>
2901 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2902 </programlisting>
2903
2904 </para>
2905
2906 <para>
2907 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2908 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2909 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2910 pragma.
2911 </para>
2912
2913 </sect2>
2914
2915 <sect2 id="rules">
2916 <title>RULES pragma</title>
2917
2918 <para>
2919 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2920 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2921 </para>
2922
2923 </sect2>
2924
2925 <sect2 id="deprecated-pragma">
2926 <title>DEPRECATED pragma</title>
2927
2928 <para>
2929 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2930 There are two forms.  
2931 </para>
2932 <itemizedlist>
2933 <listitem><para>
2934 You can deprecate an entire module thus:</para>
2935 <programlisting>
2936    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2937      ...
2938 </programlisting>
2939 <para>
2940 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2941 the specified message.</para>
2942 </listitem>
2943
2944 <listitem>
2945 <para>
2946 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2947 </para>
2948 <programlisting>
2949    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2950 </programlisting>
2951 <para>
2952 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2953 GHC will print the specified message.
2954 </para>
2955 </listitem>
2956 </itemizedlist>
2957 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2958
2959 </sect2>
2960
2961 </sect1>
2962
2963 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
2964
2965 <sect1 id="rewrite-rules">
2966 <title>Rewrite rules
2967
2968 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2969 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2970 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2971
2972 <para>
2973 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2974 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2975 </para>
2976
2977 <para>
2978 Here is an example:
2979
2980 <programlisting>
2981   {-# RULES
2982         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2983   #-}
2984 </programlisting>
2985
2986 </para>
2987
2988 <sect2>
2989 <title>Syntax</title>
2990
2991 <para>
2992 From a syntactic point of view:
2993
2994 <itemizedlist>
2995 <listitem>
2996
2997 <para>
2998  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
2999 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
3000 </para>
3001 </listitem>
3002 <listitem>
3003
3004 <para>
3005  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3006 </para>
3007 </listitem>
3008 <listitem>
3009
3010 <para>
3011  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3012 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3013 enclosing definitions.
3014 </para>
3015 </listitem>
3016 <listitem>
3017
3018 <para>
3019  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3020 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3021 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3022 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3023 </para>
3024 </listitem>
3025 <listitem>
3026
3027 <para>
3028  A pattern variable may optionally have a type signature.
3029 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3030 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3031
3032 <programlisting>
3033 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3034               foldr k z (build g) = g k z
3035 </programlisting>
3036
3037 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3038
3039 </para>
3040 </listitem>
3041 <listitem>
3042
3043 <para>
3044 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3045 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3046
3047 <programlisting>
3048 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3049 "wrong2"   forall f.      f True = True
3050 </programlisting>
3051
3052 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3053 in the head.
3054 </para>
3055 </listitem>
3056 <listitem>
3057
3058 <para>
3059  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3060 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3061 </para>
3062 </listitem>
3063 <listitem>
3064
3065 <para>
3066  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3067 </para>
3068 </listitem>
3069
3070 </itemizedlist>
3071
3072 </para>
3073
3074 </sect2>
3075
3076 <sect2>
3077 <title>Semantics</title>
3078
3079 <para>
3080 From a semantic point of view:
3081
3082 <itemizedlist>
3083 <listitem>
3084
3085 <para>
3086 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3087 </para>
3088 </listitem>
3089
3090 <listitem>
3091 <para>
3092  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3093 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3094 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3095 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3096 expression by substituting for the pattern variables.
3097
3098 </para>
3099 </listitem>
3100 <listitem>
3101
3102 <para>
3103  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3104 same type.
3105
3106 </para>
3107 </listitem>
3108 <listitem>
3109
3110 <para>
3111  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3112 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3113 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3114
3115 </para>
3116 </listitem>
3117 <listitem>
3118
3119 <para>
3120  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3121 terminating.  For example:
3122
3123 <programlisting>
3124   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3125 </programlisting>
3126
3127 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3128
3129 </para>
3130 </listitem>
3131 <listitem>
3132
3133 <para>
3134  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3135
3136 </para>
3137 </listitem>
3138 <listitem>
3139 <para>
3140  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3141 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3142 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3143 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3144 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3145 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3146 </para>
3147
3148 <para>
3149 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3150 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3151 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3152 </para>
3153 </listitem>
3154 <listitem>
3155
3156 <para>
3157  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3158 For example, consider:
3159
3160 <programlisting>
3161   let s = map f
3162       t = map g
3163   in
3164   s (t xs)
3165 </programlisting>
3166
3167 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3168 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3169 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3170 not be substituted, and the rule would not fire.
3171
3172 </para>
3173 </listitem>
3174 <listitem>
3175
3176 <para>
3177  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3178 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3179 for something you can't match against it (given the simple minded
3180 matching).  So if you write the rule
3181
3182 <programlisting>
3183         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3184 </programlisting>
3185
3186 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3187 It will only match something written with explicit use of ".".
3188 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3189
3190 <programlisting>
3191 wibble f g xs
3192 </programlisting>
3193
3194 where <function>wibble</function> is defined:
3195
3196 <programlisting>
3197 wibble f g = map f . map g
3198 </programlisting>
3199
3200 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3201
3202 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3203 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3204 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3205
3206 </para>
3207 </listitem>
3208 <listitem>
3209
3210 <para>
3211  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3212 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3213 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3214 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3215 declarations.
3216 </para>
3217 </listitem>
3218
3219 </itemizedlist>
3220
3221 </para>
3222
3223 </sect2>
3224
3225 <sect2>
3226 <title>List fusion</title>
3227
3228 <para>
3229 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3230 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3231 intermediate list should be eliminated entirely.
3232 </para>
3233
3234 <para>
3235 The following are good producers:
3236
3237 <itemizedlist>
3238 <listitem>
3239
3240 <para>
3241  List comprehensions
3242 </para>
3243 </listitem>
3244 <listitem>
3245
3246 <para>
3247  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3248 </para>
3249 </listitem>
3250 <listitem>
3251
3252 <para>
3253  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3254 </para>
3255 </listitem>
3256 <listitem>
3257
3258 <para>
3259  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3260 </para>
3261 </listitem>
3262 <listitem>
3263
3264 <para>
3265  <function>++</function>
3266 </para>
3267 </listitem>
3268
3269 <listitem>
3270 <para>
3271  <function>map</function>
3272 </para>
3273 </listitem>
3274
3275 <listitem>
3276 <para>
3277  <function>filter</function>
3278 </para>
3279 </listitem>
3280 <listitem>
3281
3282 <para>
3283  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3284 </para>
3285 </listitem>
3286 <listitem>
3287
3288 <para>
3289  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3290 </para>
3291 </listitem>
3292
3293 </itemizedlist>
3294
3295 </para>
3296
3297 <para>
3298 The following are good consumers:
3299
3300 <itemizedlist>
3301 <listitem>
3302
3303 <para>
3304  List comprehensions
3305 </para>
3306 </listitem>
3307 <listitem>
3308
3309 <para>
3310  <function>array</function> (on its second argument)
3311 </para>
3312 </listitem>
3313 <listitem>
3314
3315 <para>
3316  <function>length</function>
3317 </para>
3318 </listitem>
3319 <listitem>
3320
3321 <para>
3322  <function>++</function> (on its first argument)
3323 </para>
3324 </listitem>
3325
3326 <listitem>
3327 <para>
3328  <function>foldr</function>
3329 </para>
3330 </listitem>
3331
3332 <listitem>
3333 <para>
3334  <function>map</function>
3335 </para>
3336 </listitem>
3337 <listitem>
3338
3339 <para>
3340  <function>filter</function>
3341 </para>
3342 </listitem>
3343 <listitem>
3344
3345 <para>
3346  <function>concat</function>
3347 </para>
3348 </listitem>
3349 <listitem>
3350
3351 <para>
3352  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3353 </para>
3354 </listitem>
3355 <listitem>
3356
3357 <para>
3358  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3359 will fuse with one but not the other)
3360 </para>
3361 </listitem>
3362 <listitem>
3363
3364 <para>
3365  <function>partition</function>
3366 </para>
3367 </listitem>
3368 <listitem>
3369
3370 <para>
3371  <function>head</function>
3372 </para>
3373 </listitem>
3374 <listitem>
3375
3376 <para>
3377  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3378 </para>
3379 </listitem>
3380 <listitem>
3381
3382 <para>
3383  <function>sequence&lowbar;</function>
3384 </para>
3385 </listitem>
3386 <listitem>
3387
3388 <para>
3389  <function>msum</function>
3390 </para>
3391 </listitem>
3392 <listitem>
3393
3394 <para>
3395  <function>sortBy</function>
3396 </para>
3397 </listitem>
3398
3399 </itemizedlist>
3400
3401 </para>
3402
3403 <para>
3404 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3405
3406 <programlisting>
3407 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3408 </programlisting>
3409
3410 </para>
3411
3412 <para>
3413 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3414 a lot which are not included, please tell us.
3415 </para>
3416
3417 <para>
3418 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3419 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3420 </para>
3421
3422 </sect2>
3423
3424 <sect2 id="rule-spec">
3425 <title>Specialisation
3426 </title>
3427
3428 <para>
3429 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3430 present in earlier version of GHC:
3431
3432 <programlisting>
3433   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3434 </programlisting>
3435
3436 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3437 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3438 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3439 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3440 </para>
3441
3442 <para>
3443 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3444 same thing:
3445
3446 <programlisting>
3447 {-# RULES
3448   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3449 #-}
3450 </programlisting>
3451
3452 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3453 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3454 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3455
3456 <programlisting>
3457 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3458         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3459 </programlisting>
3460
3461 What is more,
3462 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3463 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3464 have an original definition available to specialise).
3465 </para>
3466
3467 </sect2>
3468
3469 <sect2>
3470 <title>Controlling what's going on</title>
3471
3472 <para>
3473
3474 <itemizedlist>
3475 <listitem>
3476
3477 <para>
3478  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3479 </para>
3480 </listitem>
3481 <listitem>
3482
3483 <para>
3484  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3485 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3486 </para>
3487 </listitem>
3488 <listitem>
3489
3490 <para>
3491  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3492
3493 <programlisting>
3494         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3495         {-# INLINE build #-}
3496         build g = g (:) []
3497 </programlisting>
3498
3499 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3500 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3501 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3502 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3503
3504 </para>
3505 </listitem>
3506 <listitem>
3507
3508 <para>
3509  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3510 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3511 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3512 </para>
3513 </listitem>
3514
3515 </itemizedlist>
3516
3517 </para>
3518
3519 </sect2>
3520
3521 </sect1>
3522
3523 <sect1 id="generic-classes">
3524 <title>Generic classes</title>
3525
3526     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3527     GHC 5.02).</para>
3528
3529 <para>
3530 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3531 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3532 An example will give the idea:
3533 </para>
3534
3535 <programlisting>
3536   import Generics
3537
3538   class Bin a where
3539     toBin   :: a -> [Int]
3540     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3541   
3542     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3543     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3544     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3545     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3546   
3547     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3548     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3549     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3550     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3551                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3552 </programlisting>
3553 <para>
3554 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3555 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3556 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3557 </para>
3558 <programlisting>
3559   data Unit    = Unit
3560   data a :+: b = Inl a | Inr b
3561   data a :*: b = a :*: b
3562 </programlisting>
3563 <para>
3564 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3565 <programlisting>
3566   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3567   instance Bin a => Bin [a]
3568 </programlisting>
3569 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3570 where clause and over-ride whichever methods you please.
3571 </para>
3572
3573     <sect2>
3574       <title> Using generics </title>
3575       <para>To use generics you need to</para>
3576       <itemizedlist>
3577         <listitem>
3578           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3579                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3580                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3581                 available.  </para>
3582         </listitem>
3583         <listitem>
3584           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3585           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3586           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3587           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3588           don't need this import if you don't mention these types
3589           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3590           declarations.)</para>
3591         </listitem>
3592       </itemizedlist>
3593     </sect2>
3594
3595 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3596 <para>
3597 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3598 can be written infix (indeed, you can now use
3599 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3600 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3601 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3602 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3603 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3604 anticipate wanting).
3605 </para>
3606 </sect2>
3607
3608 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3609 <para>
3610 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3611 is one that is defined using type patterns as above.
3612 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3613 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3614 generic default method.
3615 </para>
3616
3617 <para>
3618 Restrictions:
3619 <itemizedlist>
3620 <listitem>
3621 <para>
3622 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3623 field labels.
3624 </para>
3625 </listitem>
3626
3627 <listitem>
3628 <para>
3629 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3630 multi-parameter class.
3631 </para>
3632 </listitem>
3633
3634 <listitem>
3635 <para>
3636 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3637 without.  So this is illegal:
3638 <programlisting>
3639   class Foo a where
3640     op :: a -> (a, Bool)
3641     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3642     op x               = (x,    False)
3643 </programlisting>
3644 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3645 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3646 </para>
3647 </listitem>
3648
3649 <listitem>
3650 <para>
3651 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3652 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:
3653 <programlisting>
3654   class Foo a where
3655     op :: a -> Bool
3656     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3657     ...
3658 </programlisting>
3659 </para>
3660 </listitem>
3661
3662 <listitem>
3663 <para>
3664 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3665 <programlisting>
3666        a :+: b
3667        a :*: b
3668        Unit
3669 </programlisting>
3670 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3671 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3672 must use the same type variables.  So this is illegal:
3673 <programlisting>
3674   class Foo a where
3675     op :: a -> Bool
3676     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3677     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3678 </programlisting>
3679 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3680 So this too is illegal:
3681 <programlisting>
3682   class Foo a where
3683     op1 :: a -> Bool
3684     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3685
3686     op2 :: a -> Bool
3687     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3688 </programlisting>
3689 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3690 into a single generic instance declaration.)
3691 </para>
3692 </listitem>
3693
3694 <listitem>
3695 <para>
3696 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3697 </para>
3698 </listitem>
3699
3700 <listitem>
3701 <para>
3702 The type for a generic method can be built only from:
3703   <itemizedlist>
3704   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3705   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3706   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3707   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3708   </itemizedlist>
3709 Here are some example type signatures for generic methods:
3710 <programlisting>
3711     op1 :: a -> Bool
3712     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3713     op3 :: [Int] -> a -> a
3714     op4 :: [a] -> Bool
3715 </programlisting>
3716 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3717 inside a list.  
3718 </para>
3719 <para>
3720 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3721 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3722 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3723 to the ones that are allowed.</para>
3724 </listitem>
3725
3726 <listitem>
3727 <para>
3728 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3729 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3730 do so if
3731   <itemizedlist>
3732   <listitem>
3733   <para>
3734   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3735   </para>
3736   </listitem>
3737   <listitem>
3738   <para>
3739   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3740   </para>
3741   </listitem>
3742   </itemizedlist>
3743 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3744 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3745 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3746 </para>
3747 </listitem>
3748
3749 </itemizedlist>
3750 </para>
3751
3752 <para>
3753 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3754 what the compiler does with generic declarations.
3755 </para>
3756
3757 </sect2>
3758
3759 <sect2> <title> Another example </title>
3760 <para>
3761 Just to finish with, here's another example I rather like:
3762 <programlisting>
3763   class Tag a where
3764     nCons :: a -> Int
3765     nCons {| Unit |}    _ = 1
3766     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3767     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3768   
3769     tag :: a -> Int
3770     tag {| Unit |}    _       = 1
3771     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3772     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3773     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3774 </programlisting>
3775 </para>
3776 </sect2>
3777 </sect1>
3778
3779 <sect1 id="newtype-deriving">
3780 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3781
3782 <para>
3783 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3784 the new type to inherit some instances from its representation. In
3785 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3786 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3787 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3788 example, if you define
3789
3790 <programlisting> 
3791   newtype Dollars = Dollars Int 
3792 </programlisting> 
3793
3794 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3795 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3796
3797 <programlisting> 
3798   instance Num Dollars where
3799     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3800     ...
3801 </programlisting>
3802 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3803 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3804 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3805 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3806 dictionary, only slower!
3807 </para>
3808
3809 <sect2> <title> Generalising the deriving clause </title>
3810 <para>
3811 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3812 <programlisting> 
3813   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3814 </programlisting> 
3815
3816 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3817 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3818 derives an instance declaration of the form
3819
3820 <programlisting> 
3821   instance Num Int => Num Dollars
3822 </programlisting> 
3823
3824 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3825 </para>
3826 <para>
3827
3828 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3829 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3830 transformers, such that
3831
3832 <programlisting> 
3833   instance Monad m => Monad (State s m) 
3834   instance Monad m => Monad (Failure m)
3835 </programlisting> 
3836 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3837 <programlisting> 
3838   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3839 </programlisting> 
3840
3841 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3842 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3843 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3844
3845 <programlisting> 
3846   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3847                          deriving Monad
3848 </programlisting>
3849 In this case the derived instance declaration is of the form 
3850 <programlisting> 
3851   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3852 </programlisting> 
3853
3854 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3855 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3856 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3857 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3858 declaration.
3859 </para>
3860 <para>
3861
3862 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3863 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3864 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3865 clause. For example, given the class
3866
3867 <programlisting> 
3868   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3869   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3870 </programlisting> 
3871 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3872 <programlisting> 
3873   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3874                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3875 </programlisting>
3876
3877 The derived instance is obtained by completing the application of the
3878 class to the new type:
3879
3880 <programlisting> 
3881   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3882            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3883 </programlisting>
3884 </para>
3885 <para>
3886
3887 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3888 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3889 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3890 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3891 the newtype and its representation.
3892 </para>
3893 </sect2>
3894
3895 <sect2> <title> A more precise specification </title>
3896 <para>
3897 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3898 declaration (after expansion of any type synonyms)
3899
3900 <programlisting> 
3901   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3902 </programlisting> 
3903
3904 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3905 types,
3906 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3907 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3908 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3909 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3910
3911 <programlisting> 
3912   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3913 </programlisting>
3914 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3915 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3916 </para>
3917 <para>
3918
3919 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3920 <programlisting> 
3921   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3922 </programlisting> 
3923 Here we cannot derive the instance 
3924 <programlisting> 
3925   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3926 </programlisting> 
3927
3928 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3929 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3930 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3931 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3932 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3933 </para>
3934 <para>
3935
3936 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3937 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3938 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3939
3940 <programlisting> 
3941   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3942 </programlisting>
3943
3944 then we would not have been able to derive an instance for the
3945 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3946 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3947 instances is most interesting.
3948 </para>
3949 </sect2>
3950 </sect1>
3951
3952
3953
3954 <!-- Emacs stuff:
3955      ;;; Local Variables: ***
3956      ;;; mode: sgml ***
3957      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3958      ;;; End: ***
3959  -->