[project @ 2002-08-21 16:02:58 by simonmar]
[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 &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, 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 .
1134 </para>
1135
1136 <para>
1137 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1138 </para>
1139 </sect2>
1140
1141
1142 <sect2 id="universal-quantification">
1143 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1144 </title>
1145
1146 <para>
1147 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1148 allows us to say exactly what this means.  For example:
1149 </para>
1150 <para>
1151 <programlisting>
1152         g :: b -> b
1153 </programlisting>
1154 means this:
1155 <programlisting>
1156         g :: forall b. (b -> b)
1157 </programlisting>
1158 The two are treated identically.
1159 </para>
1160
1161 <para>
1162 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1163 explicit universal quantification in
1164 types. 
1165 For example, all the following types are legal:
1166 <programlisting>
1167     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1168     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1169
1170     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1171     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1172
1173     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1174 </programlisting>
1175 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1176 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1177 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1178 is implicitly added by Haskell.
1179 </para>
1180 <para>
1181 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1182 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1183 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1184 </para>
1185 <para>
1186 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1187 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1188 </para>
1189 <para>
1190 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1191 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1192 that restriction has now been lifted.)
1193 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1194 including an operational type class context, is legal:
1195 <itemizedlist>
1196 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1197 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1198 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1199 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1200 field type signatures.</para> </listitem>
1201 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1202 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1203 </itemizedlist>
1204 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1205 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1206 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1207 <programlisting>
1208     x1 :: [forall a. a->a]
1209     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1210     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1211 </programlisting>
1212 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1213 a type variable any more!
1214 </para>
1215
1216
1217 <sect3 id="univ">
1218 <title>Examples
1219 </title>
1220
1221 <para>
1222 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1223 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1224 </para>
1225
1226 <para>
1227
1228 <programlisting>
1229 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1230
1231 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1232                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1233                         }
1234
1235 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1236 </programlisting>
1237
1238 </para>
1239
1240 <para>
1241 The constructors have rank-2 types:
1242 </para>
1243
1244 <para>
1245
1246 <programlisting>
1247 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1248 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1249                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1250                   -> MonadT m
1251 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1252 </programlisting>
1253
1254 </para>
1255
1256 <para>
1257 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1258 explicit context.  For example in the first argument of the
1259 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1260 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1261 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1262 mentioned in the type quantified over.
1263 </para>
1264
1265 <para>
1266 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1267 types too.  So if you write this:
1268
1269 <programlisting>
1270   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1271 </programlisting>
1272
1273 it's just as if you had written this:
1274
1275 <programlisting>
1276   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1277 </programlisting>
1278
1279 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1280 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1281 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1282 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1283 </para>
1284
1285 <para>
1286 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1287 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1288 </para>
1289
1290 <para>
1291
1292 <programlisting>
1293     a1 :: T Int
1294     a1 = T1 (\xy->x) 3
1295     
1296     a2, a3 :: Swizzle
1297     a2 = MkSwizzle sort
1298     a3 = MkSwizzle reverse
1299     
1300     a4 :: MonadT Maybe
1301     a4 = let r x = Just x
1302              b m k = case m of
1303                        Just y -> k y
1304                        Nothing -> Nothing
1305          in
1306          MkMonad r b
1307
1308     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1309     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1310 </programlisting>
1311
1312 </para>
1313
1314 <para>
1315 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1316 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1317 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1318 </para>
1319
1320 <para>
1321 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1322 polymorphic types.  For example:
1323 </para>
1324
1325 <para>
1326
1327 <programlisting>
1328     f :: T a -> a -> (a, Char)
1329     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1330
1331     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1332     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1333
1334     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1335     h m [] = return m []
1336     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1337                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1338                  return m (y:ys)
1339 </programlisting>
1340
1341 </para>
1342
1343 <para>
1344 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1345 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1346 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1347 matching.
1348 </para>
1349 </sect3>
1350
1351 <sect3>
1352 <title>Type inference</title>
1353
1354 <para>
1355 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1356 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1357 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1358 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1359 </para>
1360 <para>
1361 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1362 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1363 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1364 </para>
1365 <para>
1366 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1367 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1368 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1369 <programlisting>
1370      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1371 </programlisting>
1372 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1373 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1374 <programlisting>
1375      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1376 </programlisting>
1377 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1378 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1379 one can give a type signature for the function itself:
1380 <programlisting>
1381      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1382      h f = (f True, f 'c')
1383 </programlisting>
1384 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1385 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1386 <programlisting>
1387     f :: T a -> a -> (a, Char)
1388     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1389 </programlisting>
1390 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1391 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1392 it needs to know.
1393 </para>
1394
1395 </sect3>
1396
1397
1398 <sect3 id="implicit-quant">
1399 <title>Implicit quantification</title>
1400
1401 <para>
1402 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1403 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1404 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1405 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1406 equivalent:
1407 <programlisting>
1408   f :: a -> a
1409   f :: forall a. a -> a
1410
1411   g (x::a) = let
1412                 h :: a -> b -> b
1413                 h x y = y
1414              in ...
1415   g (x::a) = let
1416                 h :: forall b. a -> b -> b
1417                 h x y = y
1418              in ...
1419 </programlisting>
1420 </para>
1421 <para>
1422 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1423 point.  For example:
1424 <programlisting>
1425   f :: (a -> a) -> Int
1426            -- MEANS
1427   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1428            -- NOT
1429   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1430
1431
1432   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1433            -- MEANS the illegal type
1434   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1435            -- NOT
1436   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1437 </programlisting>
1438 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1439 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1440 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1441 for rank-2 types.
1442 </para>
1443 </sect3>
1444 </sect2>
1445
1446 <sect2 id="type-synonyms">
1447 <title>Liberalised type synonyms 
1448 </title>
1449
1450 <para>
1451 Type synonmys are like macros at the type level, and
1452 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1453 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1454 <itemizedlist>
1455 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1456 in a type synonym, thus:
1457 <programlisting>
1458   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1459
1460   f :: Discard a
1461   f x y = (x, show y)
1462
1463   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1464   g f = f Int True
1465 </programlisting>
1466 </para>
1467 </listitem>
1468
1469 <listitem><para>
1470 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1471 <programlisting>
1472   type Pr = (# Int, Int #)
1473
1474   h :: Int -> Pr
1475   h x = (# x, x #)
1476 </programlisting>
1477 </para></listitem>
1478
1479 <listitem><para>
1480 You can apply a type synonym to a forall type:
1481 <programlisting>
1482   type Foo a = a -> a -> Bool
1483  
1484   f :: Foo (forall b. b->b)
1485 </programlisting>
1486 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1487 <programlisting>
1488   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1489 </programlisting>
1490 </para></listitem>
1491
1492 <listitem><para>
1493 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1494 <programlisting>
1495   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1496   type Id x = x
1497   
1498   foo :: Generic Id []
1499 </programlisting>
1500 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1501 <programlisting>
1502   foo :: forall x. x -> [x]
1503 </programlisting>
1504 </para></listitem>
1505
1506 </itemizedlist>
1507 </para>
1508
1509 <para>
1510 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1511 could be changed.)
1512 </para>
1513 <para>
1514 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1515 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1516 <itemizedlist>
1517 <listitem><para>
1518 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1519 </para></listitem>
1520 <listitem><para>
1521 Unboxed tuple on left of an arrow.
1522 </para></listitem>
1523 <listitem><para>
1524 Partially-applied type synonym.
1525 </para></listitem>
1526 </itemizedlist>
1527 So, for example,
1528 this will be rejected:
1529 <programlisting>
1530   type Pr = (# Int, Int #)
1531
1532   h :: Pr -> Int
1533   h x = ...
1534 </programlisting>
1535 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1536 </para>
1537 </sect2>
1538
1539 <sect2 id="hoist">
1540 <title>For-all hoisting</title>
1541 <para>
1542 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
1543 end of an arrow, thus:
1544 <programlisting>
1545   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1546
1547   g :: Int -> Discard Int
1548   g x y z = x+y
1549 </programlisting>
1550 Simply expanding the type synonym would give
1551 <programlisting>
1552   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1553 </programlisting>
1554 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1555 <programlisting>
1556   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1557 </programlisting>
1558 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1559 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1560 performs the transformation:</emphasis>
1561 <programlisting>
1562   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1563 ==>
1564   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1565 </programlisting>
1566 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1567 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1568 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1569 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1570 <programlisting>
1571   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1572 </programlisting>
1573 </para>
1574 <para>
1575 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
1576 example:
1577 <programlisting>
1578   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
1579   g :: Foo (Foo Int)
1580 </programlisting>
1581 means
1582 <programlisting>
1583   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
1584 </programlisting>
1585 </para>
1586 </sect2>
1587
1588
1589 <sect2 id="existential-quantification">
1590 <title>Existentially quantified data constructors
1591 </title>
1592
1593 <para>
1594 The idea of using existential quantification in data type declarations
1595 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1596 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1597 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1598 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1599 </para>
1600
1601 <para>
1602
1603 <programlisting>
1604   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1605            | Nil
1606 </programlisting>
1607
1608 </para>
1609
1610 <para>
1611 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1612 </para>
1613
1614 <para>
1615
1616 <programlisting>
1617   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1618   Nil   :: Foo
1619 </programlisting>
1620
1621 </para>
1622
1623 <para>
1624 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1625 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1626 For example, the following expression is fine:
1627 </para>
1628
1629 <para>
1630
1631 <programlisting>
1632   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1633 </programlisting>
1634
1635 </para>
1636
1637 <para>
1638 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1639 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1640 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1641 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1642 </para>
1643
1644 <para>
1645 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1646 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1647 </para>
1648
1649 <para>
1650
1651 <programlisting>
1652   f (MkFoo val fn) = ???
1653 </programlisting>
1654
1655 </para>
1656
1657 <para>
1658 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1659 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1660 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1661 </para>
1662
1663 <para>
1664
1665 <programlisting>
1666   f :: Foo -> Bool
1667   f (MkFoo val fn) = fn val
1668 </programlisting>
1669
1670 </para>
1671
1672 <para>
1673 What this allows us to do is to package heterogenous values
1674 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1675 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1676 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1677 </para>
1678
1679 <sect3 id="existential">
1680 <title>Why existential?
1681 </title>
1682
1683 <para>
1684 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1685 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1686 </para>
1687
1688 <para>
1689
1690 <programlisting>
1691   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1692 </programlisting>
1693
1694 </para>
1695
1696 <para>
1697 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1698 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1699 adding a new existential quantification construct.
1700 </para>
1701
1702 </sect3>
1703
1704 <sect3>
1705 <title>Type classes</title>
1706
1707 <para>
1708 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1709 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1710 </para>
1711
1712 <para>
1713
1714 <programlisting>
1715 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1716          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1717 </programlisting>
1718
1719 </para>
1720
1721 <para>
1722 The two constructors have the types you'd expect:
1723 </para>
1724
1725 <para>
1726
1727 <programlisting>
1728 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1729 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1730 </programlisting>
1731
1732 </para>
1733
1734 <para>
1735 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1736 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1737 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1738 So this program is legal:
1739 </para>
1740
1741 <para>
1742
1743 <programlisting>
1744   f :: Baz -> String
1745   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1746                | otherwise = "No"
1747   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1748 </programlisting>
1749
1750 </para>
1751
1752 <para>
1753 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1754 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1755 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1756 extract it on pattern matching.
1757 </para>
1758
1759 <para>
1760 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1761 universal quantification earlier.
1762 </para>
1763
1764 </sect3>
1765
1766 <sect3>
1767 <title>Restrictions</title>
1768
1769 <para>
1770 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1771 constructors can be use.
1772 </para>
1773
1774 <para>
1775
1776 <itemizedlist>
1777 <listitem>
1778
1779 <para>
1780  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1781 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1782 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1783 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1784
1785
1786 <programlisting>
1787 f1 (MkFoo a f) = a
1788 </programlisting>
1789
1790
1791 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1792 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1793 ask what type <function>f1</function> has:
1794
1795
1796 <programlisting>
1797   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1798 </programlisting>
1799
1800
1801 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1802 this:
1803
1804
1805 <programlisting>
1806   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1807 </programlisting>
1808
1809
1810 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1811
1812
1813 <programlisting>
1814   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1815 </programlisting>
1816
1817
1818 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1819 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1820 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1821
1822
1823 </para>
1824 </listitem>
1825 <listitem>
1826
1827 <para>
1828 You can't pattern-match on an existentially quantified
1829 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1830 bindings. So this is illegal:
1831
1832
1833 <programlisting>
1834   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1835 </programlisting>
1836
1837
1838 You can only pattern-match
1839 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1840 in the patterns of a function definition.
1841
1842 The reason for this restriction is really an implementation one.
1843 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1844 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1845 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1846 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1847 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1848 annoying it is.
1849
1850 </para>
1851 </listitem>
1852 <listitem>
1853
1854 <para>
1855 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1856 declarations.  So this is illegal:
1857
1858
1859 <programlisting>
1860   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1861 </programlisting>
1862
1863
1864 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
1865 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
1866 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
1867 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
1868 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
1869 overloading involved, then there is more of a case for allowing
1870 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
1871 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
1872 but single-field existentially quantified constructors aren't much
1873 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
1874 stands, unless there are convincing reasons to change it.
1875
1876
1877 </para>
1878 </listitem>
1879 <listitem>
1880
1881 <para>
1882  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1883 data type with existentially quantified data constructors.
1884
1885 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1886
1887 <programlisting>
1888 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1889 </programlisting>
1890
1891 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1892 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1893
1894 <programlisting>
1895 instance Eq T where
1896   (MkT a) == (MkT b) = ???
1897 </programlisting>
1898
1899 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1900 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1901 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1902 declarations.  Define your own instances!
1903 </para>
1904 </listitem>
1905
1906 </itemizedlist>
1907
1908 </para>
1909
1910 </sect3>
1911
1912 </sect2>
1913
1914 <sect2 id="scoped-type-variables">
1915 <title>Scoped type variables
1916 </title>
1917
1918 <para>
1919 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
1920 variable</emphasis>.  For example
1921 </para>
1922
1923 <para>
1924
1925 <programlisting>
1926 f (xs::[a]) = ys ++ ys
1927            where
1928               ys :: [a]
1929               ys = reverse xs
1930 </programlisting>
1931
1932 </para>
1933
1934 <para>
1935 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
1936 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
1937 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
1938 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
1939 </para>
1940
1941 <para>
1942  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
1943 type signatures.  The two can be used independently or together.
1944 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
1945 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
1946 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
1947 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
1948 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
1949 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
1950 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
1951 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
1952 it becomes possible to do so.
1953 </para>
1954
1955 <para>
1956 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
1957 implementations differ from the specification below, those differences
1958 are noted.
1959 </para>
1960
1961 <para>
1962 So much for the basic idea.  Here are the details.
1963 </para>
1964
1965 <sect3>
1966 <title>What a pattern type signature means</title>
1967 <para>
1968 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
1969 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
1970 of the same name mean the same type.  For example:
1971 <programlisting>
1972   f :: [Int] -> Int -> Int
1973   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
1974 </programlisting>
1975 The pattern type signatures on the left hand side of
1976 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
1977 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
1978 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
1979 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
1980 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
1981 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
1982 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
1983 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
1984 For example, all of these are legal:</para>
1985
1986 <programlisting>
1987   t (x::a) (y::a) = x+y*2
1988
1989   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
1990
1991   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
1992
1993   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
1994         in k x                  -- environment
1995
1996   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
1997   k (x::Int) False = ...
1998
1999   w :: [b] -> [b]
2000   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2001 </programlisting>
2002
2003 </sect3>
2004
2005 <sect3>
2006 <title>Scope and implicit quantification</title>
2007
2008 <para>
2009
2010 <itemizedlist>
2011 <listitem>
2012
2013 <para>
2014 All the type variables mentioned in a pattern,
2015 that are not already in scope,
2016 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2017 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2018 For example:
2019 <programlisting>
2020   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2021              in
2022              g (x,True)
2023 </programlisting>
2024 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2025 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2026 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2027 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2028 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2029 </para>
2030 </listitem>
2031
2032 <listitem>
2033 <para>
2034 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2035 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2036 <programlisting>
2037   let
2038     f (x::a) = <...rhs of f...>
2039     (p::b, q::b) = (1,2)
2040   in <...body of let...>
2041 </programlisting>
2042 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2043 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2044 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2045 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2046 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2047 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2048 </para>
2049 </listitem>
2050
2051
2052 <listitem>
2053 <para>
2054 The type variables bound by the pattern may be 
2055 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2056 type signatures anywhere within their scope.
2057
2058 </para>
2059 </listitem>
2060
2061 <listitem>
2062 <para>
2063  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2064 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2065
2066 </para>
2067 </listitem>
2068
2069 <listitem>
2070
2071 <para>
2072  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2073 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2074
2075 <programlisting>
2076   f :: a -> a
2077   f x = x::a
2078 </programlisting>
2079
2080 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2081 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2082 and that is an incorrect typing.
2083
2084 </para>
2085 </listitem>
2086
2087 <listitem>
2088 <para>
2089 The pattern type signature is a monotype:
2090 </para>
2091
2092 <itemizedlist>
2093 <listitem> <para> 
2094 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2095 </para> </listitem>
2096
2097 <listitem>  <para> 
2098 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2099 not to type schemes.
2100 </para> </listitem>
2101
2102 <listitem>  <para> 
2103 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2104 ordinary type signatures).
2105 </para> </listitem>
2106
2107 </itemizedlist>
2108
2109 </listitem>
2110
2111 <listitem>
2112 <para>
2113
2114 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2115 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2116
2117
2118 <programlisting>
2119   class C a where
2120     op :: [a] -> a
2121
2122     op xs = let ys::[a]
2123                 ys = reverse xs
2124             in
2125             head ys
2126 </programlisting>
2127
2128
2129 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2130 </para>
2131 </listitem>
2132
2133 </itemizedlist>
2134
2135 </para>
2136
2137 </sect3>
2138
2139 <sect3>
2140 <title>Result type signatures</title>
2141
2142 <para>
2143
2144 <itemizedlist>
2145 <listitem>
2146
2147 <para>
2148  The result type of a function can be given a signature,
2149 thus:
2150
2151
2152 <programlisting>
2153   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2154 </programlisting>
2155
2156
2157 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2158 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2159 you want:
2160
2161
2162 <programlisting>
2163   f :: Int -> [a] -> [a]
2164   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2165                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2166 </programlisting>
2167
2168
2169 </para>
2170 </listitem>
2171
2172 </itemizedlist>
2173
2174 </para>
2175
2176 <para>
2177 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2178 </para>
2179
2180 </sect3>
2181
2182 <sect3>
2183 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2184
2185 <para>
2186 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2187 <itemizedlist>
2188
2189 <listitem>
2190 <para>
2191 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2192 ust on a variable:
2193
2194
2195 <programlisting>
2196   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2197 </programlisting>
2198
2199
2200 </para>
2201 </listitem>
2202 <listitem>
2203
2204 <para>
2205  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2206 in lambda abstractions:
2207
2208 <programlisting>
2209   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2210 </programlisting>
2211 </para>
2212 </listitem>
2213 <listitem>
2214
2215 <para>
2216  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2217 in <literal>case</literal> expressions:
2218
2219
2220 <programlisting>
2221   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2222 </programlisting>
2223
2224 </para>
2225 </listitem>
2226
2227 <listitem>
2228 <para>
2229 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2230 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2231 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2232 consider how one would parse this:
2233
2234
2235 <programlisting>
2236   \ x :: a -> b -> x
2237 </programlisting>
2238
2239
2240 </para>
2241 </listitem>
2242
2243 <listitem>
2244
2245 <para>
2246  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2247 For example:
2248
2249
2250 <programlisting>
2251   data T = forall a. MkT [a]
2252
2253   f :: T -> T
2254   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2255                  where
2256                    t3::[a] = [t,t,t]
2257 </programlisting>
2258
2259
2260 </para>
2261 </listitem>
2262
2263
2264 <listitem>
2265
2266 <para>
2267 Pattern type signatures 
2268 can be used in pattern bindings:
2269
2270 <programlisting>
2271   f x = let (y, z::a) = x in ...
2272   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2273   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2274   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2275 </programlisting>
2276
2277 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2278 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2279 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2280 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2281 In contrast, the binding
2282 <programlisting>
2283   f4 :: b->b
2284   f4 = \x -> x
2285 </programlisting>
2286 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2287 in <literal>f4</literal>'s scope.
2288
2289 </para>
2290 </listitem>
2291 </itemizedlist>
2292 </para>
2293
2294 </sect3>
2295 </sect2>
2296
2297
2298 </sect1>
2299 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
2300   
2301
2302 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
2303
2304 <sect1 id="sec-assertions">
2305 <title>Assertions
2306 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2307 </title>
2308
2309 <para>
2310 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2311 could define a function like the following:
2312 </para>
2313
2314 <para>
2315
2316 <programlisting>
2317 assert :: Bool -> a -> a
2318 assert False x = error "assertion failed!"
2319 assert _     x = x
2320 </programlisting>
2321
2322 </para>
2323
2324 <para>
2325 which works, but gives you back a less than useful error message --
2326 an assertion failed, but which and where?
2327 </para>
2328
2329 <para>
2330 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2331 takes a descriptive string to include in the error message and
2332 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2333 the source location where <function>assert</function> was used.
2334 </para>
2335
2336 <para>
2337 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2338 use of <function>assert</function> in the user's source:
2339 </para>
2340
2341 <para>
2342
2343 <programlisting>
2344 kelvinToC :: Double -> Double
2345 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2346 </programlisting>
2347
2348 </para>
2349
2350 <para>
2351 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2352 assertion was made,
2353 </para>
2354
2355 <para>
2356
2357 <programlisting>
2358 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2359 </programlisting>
2360
2361 </para>
2362
2363 <para>
2364 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2365 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
2366 can still define and use your own versions of
2367 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
2368 <literal>Control.Exception</literal> to make use
2369 <function>assert</function> in your code.
2370 </para>
2371
2372 <para>
2373 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2374 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
2375 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
2376 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
2377 <literal>e</literal>.
2378 </para>
2379
2380 <para>
2381 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2382 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
2383 </para>
2384
2385 </sect1>
2386
2387
2388 <sect1 id="syntax-extns">
2389 <title>Syntactic extensions</title>
2390
2391 <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
2392
2393     <sect2 id="hierarchical-modules">
2394       <title>Hierarchical Modules</title>
2395
2396       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
2397       names: a module name is allowed to contain a dot
2398       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
2399       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
2400       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
2401       more flexible hierarchy of modules.</para>
2402
2403       <para>This extension has very little impact on the language
2404       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
2405       qualified, so you can just think of the fully qualified module
2406       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
2407       means that the full module name must be given after the
2408       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
2409       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
2410       begin</para>
2411
2412 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
2413
2414
2415       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
2416       keyword to save some typing when using qualified names with
2417       hierarchical modules.  For example:</para>
2418
2419 <programlisting>
2420 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
2421 </programlisting>
2422
2423       <para>Hierarchical modules have an impact on the way that GHC
2424       searches for files.  For a description, see <xref
2425       linkend="finding-hierarchical-modules">.</para>
2426
2427       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
2428       hierarchically; see the accompanying library documentation.
2429       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
2430       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
2431       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
2432       current status of that project.  For more details, see <ulink
2433       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
2434       Libraries</ulink>.</para>
2435
2436     </sect2>
2437
2438 <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
2439
2440 <sect2 id="pattern-guards">
2441 <title>Pattern guards</title>
2442
2443 <para>
2444 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
2445 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.)
2446 </para>
2447
2448 <para>
2449 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
2450 lookup operation:
2451
2452 <programlisting>
2453 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
2454 </programlisting>
2455
2456 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
2457 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
2458 </para>
2459
2460 <programlisting>
2461 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
2462 | otherwise  = var1 + var2
2463 where
2464   m1 = lookup env var1
2465   m2 = lookup env var2
2466   ok1 = maybeToBool m1
2467   ok2 = maybeToBool m2
2468   val1 = expectJust m1
2469   val2 = expectJust m2
2470 </programlisting>
2471
2472 <para>
2473 The auxiliary functions are 
2474 </para>
2475
2476 <programlisting>
2477 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
2478 maybeToBool (Just x) = True
2479 maybeToBool Nothing  = False
2480
2481 expectJust :: Maybe a -&gt; a
2482 expectJust (Just x) = x
2483 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
2484 </programlisting>
2485
2486 <para>
2487 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
2488 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
2489 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
2490 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
2491 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
2492 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
2493 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
2494 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
2495 </para>
2496
2497 <para>
2498 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
2499 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
2500 to write clunky would be to use case expressions:
2501 </para>
2502
2503 <programlisting>
2504 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
2505   Nothing -&gt; fail
2506   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
2507     Nothing -&gt; fail
2508     Just val2 -&gt; val1 + val2
2509 where
2510   fail = val1 + val2
2511 </programlisting>
2512
2513 <para>
2514 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
2515 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
2516 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
2517 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
2518 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
2519 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
2520 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
2521 tends to become more and more indented. 
2522 </para>
2523
2524 <para>
2525 Here is how I would write clunky:
2526 </para>
2527
2528 <programlisting>
2529 clunky env var1 var1
2530   | Just val1 &lt;- lookup env var1
2531   , Just val2 &lt;- lookup env var2
2532   = val1 + val2
2533 ...other equations for clunky...
2534 </programlisting>
2535
2536 <para>
2537 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
2538 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
2539 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
2540 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
2541 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
2542 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
2543 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
2544 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
2545 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
2546 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
2547 </para>
2548
2549 <para>
2550 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
2551 with among the pattern guards.  For example:
2552 </para>
2553
2554 <programlisting>
2555 f x | [y] <- x
2556     , y > 3
2557     , Just z <- h y
2558     = ...
2559 </programlisting>
2560
2561 <para>
2562 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
2563 qualifier list has just one element, a boolean expression.
2564 </para>
2565 </sect2>
2566
2567 <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
2568
2569   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
2570     <title>Parallel List Comprehensions</title>
2571     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
2572     </indexterm>
2573     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
2574     </indexterm>
2575
2576     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
2577     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
2578     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
2579     extend this to include the zipWith family.</para>
2580
2581     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
2582     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
2583     example, the following zips together two lists:</para>
2584
2585 <programlisting>
2586    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
2587 </programlisting>
2588
2589     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
2590     zip, in that the resulting list will have the same length as the
2591     shortest branch.</para>
2592
2593     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
2594     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
2595
2596     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
2597
2598 <programlisting>
2599    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
2600        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
2601        ... 
2602    ] 
2603 </programlisting>
2604
2605     <para>This will be translated to: </para>
2606
2607 <programlisting>
2608    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
2609                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
2610                                          ... 
2611    ] 
2612 </programlisting>
2613
2614     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
2615     branches.</para>
2616
2617   </sect2>
2618
2619 <sect2 id="rebindable-syntax">
2620 <title>Rebindable syntax</title>
2621
2622
2623       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
2624       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
2625       with a home-grown version, for example.</para>
2626
2627             <para>You may want to define your own numeric class
2628             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
2629             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
2630             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
2631             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
2632             the following pieces of built-in syntax to refer to
2633             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
2634             versions:</para>
2635
2636             <itemizedlist>
2637               <listitem>
2638                 <para>Integer and fractional literals mean
2639                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
2640                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
2641                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
2642                 patterns. </para>
2643                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
2644                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
2645               </listitem>
2646
2647               <listitem>
2648                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
2649                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
2650                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
2651               </listitem>
2652
2653               <listitem>
2654                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
2655                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
2656                 but the necessary subtraction uses whatever
2657                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
2658                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
2659               </listitem>
2660
2661               <listitem>
2662           <para>"Do" notation is translated using whatever
2663               functions <literal>(>>=)</literal>,
2664               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
2665               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
2666               versions).  List comprehensions, and parallel array
2667               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
2668             </itemizedlist>
2669
2670              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
2671              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
2672              must have the appropriate types, namely:
2673              <screen>
2674                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
2675                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
2676                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
2677                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
2678                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
2679                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
2680                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
2681                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
2682              </screen>
2683              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
2684              is up to you.)
2685              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
2686              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
2687              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
2688
2689 </sect2>
2690 </sect1>
2691
2692 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
2693
2694   <sect1 id="pragmas">
2695     <title>Pragmas</title>
2696
2697     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2698
2699     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2700     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2701     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2702     of the generated code.</para>
2703
2704     <para>Pragmas all take the form
2705
2706 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2707
2708     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2709     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2710     type of pragma.  Case is ignored in
2711     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2712     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2713     in the following sections; any pragma encountered with an
2714     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2715     ignored.</para>
2716
2717 <sect2 id="inline-pragma">
2718 <title>INLINE pragma
2719
2720 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2721 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2722
2723 <para>
2724 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2725 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2726 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2727 </para>
2728
2729 <para>
2730 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2731 interface files.
2732 </para>
2733
2734 <para>
2735 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2736 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2737 use.
2738 </para>
2739
2740 <para>
2741 The sledgehammer you can bring to bear is the
2742 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2743
2744 <programlisting>
2745 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2746
2747 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2748 {-# INLINE key_function #-}
2749 #endif
2750 </programlisting>
2751
2752 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2753 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2754 </para>
2755
2756 <para>
2757 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2758 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2759 very keen to inline it.
2760 </para>
2761
2762 <para>
2763 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2764 signature could be put.
2765 </para>
2766
2767 <para>
2768 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2769 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2770 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2771
2772 <programlisting>
2773 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2774 {-# INLINE thenUs #-}
2775 {-# INLINE returnUs #-}
2776 #endif
2777 </programlisting>
2778
2779 </para>
2780
2781 </sect2>
2782
2783 <sect2 id="noinline-pragma">
2784 <title>NOINLINE pragma
2785 </title>
2786
2787 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2788 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2789 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2790 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2791
2792 <para>
2793 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2794 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2795 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2796 size.
2797 </para>
2798
2799 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2800 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2801 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2802 used if you want your code to be portable).</para>
2803
2804 </sect2>
2805
2806     <sect2 id="specialize-pragma">
2807       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2808
2809       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2810       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2811       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2812
2813       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2814       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2815       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2816       overloaded function:</para>
2817
2818 <programlisting>
2819 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2820 </programlisting>
2821
2822       <para>If it is heavily used on lists with
2823       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2824       follows:</para>
2825
2826 <programlisting>
2827 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2828 </programlisting>
2829
2830       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2831       to use for the specialised value, as in:</para>
2832
2833 <programlisting>
2834 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2835 </programlisting>
2836
2837       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2838       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2839       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2840       Responsibility</emphasis> to make sure that
2841       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2842       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2843
2844       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2845       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2846       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2847       <xref linkend="rules"> for more information on
2848       <literal>RULES</literal>.</para>
2849
2850       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2851       specialisation will Win Big:
2852
2853 <programlisting>
2854 toDouble :: Real a => a -> Double
2855 toDouble = fromRational . toRational
2856
2857 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2858 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2859 </programlisting>
2860
2861       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2862       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2863       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2864       comparison.</para>
2865
2866       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2867       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2868
2869     </sect2>
2870
2871 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2872 <title>SPECIALIZE instance pragma
2873 </title>
2874
2875 <para>
2876 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2877 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2878 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2879
2880 <programlisting>
2881 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2882    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2883    ... usual stuff ...
2884  }
2885 </programlisting>
2886 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2887 of the instance declaration.
2888 </para>
2889 <para>
2890 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2891 of the pragma.
2892 </para>
2893
2894 </sect2>
2895
2896 <sect2 id="line-pragma">
2897 <title>LINE pragma
2898 </title>
2899
2900 <para>
2901 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2902 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2903 </para>
2904
2905 <para>
2906 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2907 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2908 number and filename of the original code; for example
2909 </para>
2910
2911 <para>
2912
2913 <programlisting>
2914 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2915 </programlisting>
2916
2917 </para>
2918
2919 <para>
2920 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2921 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2922 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2923 pragma.
2924 </para>
2925
2926 </sect2>
2927
2928 <sect2 id="rules">
2929 <title>RULES pragma</title>
2930
2931 <para>
2932 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2933 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2934 </para>
2935
2936 </sect2>
2937
2938 <sect2 id="deprecated-pragma">
2939 <title>DEPRECATED pragma</title>
2940
2941 <para>
2942 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2943 There are two forms.  
2944 </para>
2945 <itemizedlist>
2946 <listitem><para>
2947 You can deprecate an entire module thus:</para>
2948 <programlisting>
2949    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2950      ...
2951 </programlisting>
2952 <para>
2953 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2954 the specified message.</para>
2955 </listitem>
2956
2957 <listitem>
2958 <para>
2959 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2960 </para>
2961 <programlisting>
2962    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2963 </programlisting>
2964 <para>
2965 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2966 GHC will print the specified message.
2967 </para>
2968 </listitem>
2969 </itemizedlist>
2970 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2971
2972 </sect2>
2973
2974 </sect1>
2975
2976 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
2977
2978 <sect1 id="rewrite-rules">
2979 <title>Rewrite rules
2980
2981 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2982 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2983 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2984
2985 <para>
2986 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2987 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2988 </para>
2989
2990 <para>
2991 Here is an example:
2992
2993 <programlisting>
2994   {-# RULES
2995         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2996   #-}
2997 </programlisting>
2998
2999 </para>
3000
3001 <sect2>
3002 <title>Syntax</title>
3003
3004 <para>
3005 From a syntactic point of view:
3006
3007 <itemizedlist>
3008 <listitem>
3009
3010 <para>
3011  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
3012 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
3013 </para>
3014 </listitem>
3015 <listitem>
3016
3017 <para>
3018  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3019 </para>
3020 </listitem>
3021 <listitem>
3022
3023 <para>
3024  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3025 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3026 enclosing definitions.
3027 </para>
3028 </listitem>
3029 <listitem>
3030
3031 <para>
3032  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3033 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3034 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3035 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3036 </para>
3037 </listitem>
3038 <listitem>
3039
3040 <para>
3041  A pattern variable may optionally have a type signature.
3042 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3043 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3044
3045 <programlisting>
3046 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3047               foldr k z (build g) = g k z
3048 </programlisting>
3049
3050 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3051
3052 </para>
3053 </listitem>
3054 <listitem>
3055
3056 <para>
3057 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3058 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3059
3060 <programlisting>
3061 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3062 "wrong2"   forall f.      f True = True
3063 </programlisting>
3064
3065 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3066 in the head.
3067 </para>
3068 </listitem>
3069 <listitem>
3070
3071 <para>
3072  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3073 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3074 </para>
3075 </listitem>
3076 <listitem>
3077
3078 <para>
3079  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3080 </para>
3081 </listitem>
3082
3083 </itemizedlist>
3084
3085 </para>
3086
3087 </sect2>
3088
3089 <sect2>
3090 <title>Semantics</title>
3091
3092 <para>
3093 From a semantic point of view:
3094
3095 <itemizedlist>
3096 <listitem>
3097
3098 <para>
3099 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3100 </para>
3101 </listitem>
3102
3103 <listitem>
3104 <para>
3105  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3106 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3107 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3108 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3109 expression by substituting for the pattern variables.
3110
3111 </para>
3112 </listitem>
3113 <listitem>
3114
3115 <para>
3116  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3117 same type.
3118
3119 </para>
3120 </listitem>
3121 <listitem>
3122
3123 <para>
3124  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3125 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3126 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3127
3128 </para>
3129 </listitem>
3130 <listitem>
3131
3132 <para>
3133  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3134 terminating.  For example:
3135
3136 <programlisting>
3137   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3138 </programlisting>
3139
3140 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3141
3142 </para>
3143 </listitem>
3144 <listitem>
3145
3146 <para>
3147  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3148
3149 </para>
3150 </listitem>
3151 <listitem>
3152 <para>
3153  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3154 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3155 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3156 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3157 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3158 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3159 </para>
3160
3161 <para>
3162 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3163 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3164 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3165 </para>
3166 </listitem>
3167 <listitem>
3168
3169 <para>
3170  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3171 For example, consider:
3172
3173 <programlisting>
3174   let s = map f
3175       t = map g
3176   in
3177   s (t xs)
3178 </programlisting>
3179
3180 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3181 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3182 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3183 not be substituted, and the rule would not fire.
3184
3185 </para>
3186 </listitem>
3187 <listitem>
3188
3189 <para>
3190  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3191 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3192 for something you can't match against it (given the simple minded
3193 matching).  So if you write the rule
3194
3195 <programlisting>
3196         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3197 </programlisting>
3198
3199 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3200 It will only match something written with explicit use of ".".
3201 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3202
3203 <programlisting>
3204 wibble f g xs
3205 </programlisting>
3206
3207 where <function>wibble</function> is defined:
3208
3209 <programlisting>
3210 wibble f g = map f . map g
3211 </programlisting>
3212
3213 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3214
3215 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3216 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3217 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3218
3219 </para>
3220 </listitem>
3221 <listitem>
3222
3223 <para>
3224  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3225 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3226 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3227 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3228 declarations.
3229 </para>
3230 </listitem>
3231
3232 </itemizedlist>
3233
3234 </para>
3235
3236 </sect2>
3237
3238 <sect2>
3239 <title>List fusion</title>
3240
3241 <para>
3242 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3243 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3244 intermediate list should be eliminated entirely.
3245 </para>
3246
3247 <para>
3248 The following are good producers:
3249
3250 <itemizedlist>
3251 <listitem>
3252
3253 <para>
3254  List comprehensions
3255 </para>
3256 </listitem>
3257 <listitem>
3258
3259 <para>
3260  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3261 </para>
3262 </listitem>
3263 <listitem>
3264
3265 <para>
3266  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3267 </para>
3268 </listitem>
3269 <listitem>
3270
3271 <para>
3272  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3273 </para>
3274 </listitem>
3275 <listitem>
3276
3277 <para>
3278  <function>++</function>
3279 </para>
3280 </listitem>
3281
3282 <listitem>
3283 <para>
3284  <function>map</function>
3285 </para>
3286 </listitem>
3287
3288 <listitem>
3289 <para>
3290  <function>filter</function>
3291 </para>
3292 </listitem>
3293 <listitem>
3294
3295 <para>
3296  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3297 </para>
3298 </listitem>
3299 <listitem>
3300
3301 <para>
3302  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3303 </para>
3304 </listitem>
3305
3306 </itemizedlist>
3307
3308 </para>
3309
3310 <para>
3311 The following are good consumers:
3312
3313 <itemizedlist>
3314 <listitem>
3315
3316 <para>
3317  List comprehensions
3318 </para>
3319 </listitem>
3320 <listitem>
3321
3322 <para>
3323  <function>array</function> (on its second argument)
3324 </para>
3325 </listitem>
3326 <listitem>
3327
3328 <para>
3329  <function>length</function>
3330 </para>
3331 </listitem>
3332 <listitem>
3333
3334 <para>
3335  <function>++</function> (on its first argument)
3336 </para>
3337 </listitem>
3338
3339 <listitem>
3340 <para>
3341  <function>foldr</function>
3342 </para>
3343 </listitem>
3344
3345 <listitem>
3346 <para>
3347  <function>map</function>
3348 </para>
3349 </listitem>
3350 <listitem>
3351
3352 <para>
3353  <function>filter</function>
3354 </para>
3355 </listitem>
3356 <listitem>
3357
3358 <para>
3359  <function>concat</function>
3360 </para>
3361 </listitem>
3362 <listitem>
3363
3364 <para>
3365  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3366 </para>
3367 </listitem>
3368 <listitem>
3369
3370 <para>
3371  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3372 will fuse with one but not the other)
3373 </para>
3374 </listitem>
3375 <listitem>
3376
3377 <para>
3378  <function>partition</function>
3379 </para>
3380 </listitem>
3381 <listitem>
3382
3383 <para>
3384  <function>head</function>
3385 </para>
3386 </listitem>
3387 <listitem>
3388
3389 <para>
3390  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3391 </para>
3392 </listitem>
3393 <listitem>
3394
3395 <para>
3396  <function>sequence&lowbar;</function>
3397 </para>
3398 </listitem>
3399 <listitem>
3400
3401 <para>
3402  <function>msum</function>
3403 </para>
3404 </listitem>
3405 <listitem>
3406
3407 <para>
3408  <function>sortBy</function>
3409 </para>
3410 </listitem>
3411
3412 </itemizedlist>
3413
3414 </para>
3415
3416 <para>
3417 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3418
3419 <programlisting>
3420 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3421 </programlisting>
3422
3423 </para>
3424
3425 <para>
3426 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3427 a lot which are not included, please tell us.
3428 </para>
3429
3430 <para>
3431 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3432 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3433 </para>
3434
3435 </sect2>
3436
3437 <sect2 id="rule-spec">
3438 <title>Specialisation
3439 </title>
3440
3441 <para>
3442 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3443 present in earlier version of GHC:
3444
3445 <programlisting>
3446   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3447 </programlisting>
3448
3449 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3450 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3451 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3452 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3453 </para>
3454
3455 <para>
3456 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3457 same thing:
3458
3459 <programlisting>
3460 {-# RULES
3461   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3462 #-}
3463 </programlisting>
3464
3465 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3466 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3467 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3468
3469 <programlisting>
3470 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3471         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3472 </programlisting>
3473
3474 What is more,
3475 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3476 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3477 have an original definition available to specialise).
3478 </para>
3479
3480 </sect2>
3481
3482 <sect2>
3483 <title>Controlling what's going on</title>
3484
3485 <para>
3486
3487 <itemizedlist>
3488 <listitem>
3489
3490 <para>
3491  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3492 </para>
3493 </listitem>
3494 <listitem>
3495
3496 <para>
3497  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3498 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3499 </para>
3500 </listitem>
3501 <listitem>
3502
3503 <para>
3504  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3505
3506 <programlisting>
3507         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3508         {-# INLINE build #-}
3509         build g = g (:) []
3510 </programlisting>
3511
3512 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3513 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3514 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3515 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3516
3517 </para>
3518 </listitem>
3519 <listitem>
3520
3521 <para>
3522  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3523 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3524 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3525 </para>
3526 </listitem>
3527
3528 </itemizedlist>
3529
3530 </para>
3531
3532 </sect2>
3533
3534 </sect1>
3535
3536 <sect1 id="generic-classes">
3537 <title>Generic classes</title>
3538
3539     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3540     GHC 5.02).</para>
3541
3542 <para>
3543 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3544 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3545 An example will give the idea:
3546 </para>
3547
3548 <programlisting>
3549   import Generics
3550
3551   class Bin a where
3552     toBin   :: a -> [Int]
3553     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3554   
3555     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3556     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3557     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3558     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3559   
3560     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3561     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3562     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3563     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3564                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3565 </programlisting>
3566 <para>
3567 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3568 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3569 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3570 </para>
3571 <programlisting>
3572   data Unit    = Unit
3573   data a :+: b = Inl a | Inr b
3574   data a :*: b = a :*: b
3575 </programlisting>
3576 <para>
3577 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3578 <programlisting>
3579   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3580   instance Bin a => Bin [a]
3581 </programlisting>
3582 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3583 where clause and over-ride whichever methods you please.
3584 </para>
3585
3586     <sect2>
3587       <title> Using generics </title>
3588       <para>To use generics you need to</para>
3589       <itemizedlist>
3590         <listitem>
3591           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3592                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3593                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3594                 available.  </para>
3595         </listitem>
3596         <listitem>
3597           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3598           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3599           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3600           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3601           don't need this import if you don't mention these types
3602           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3603           declarations.)</para>
3604         </listitem>
3605       </itemizedlist>
3606     </sect2>
3607
3608 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3609 <para>
3610 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3611 can be written infix (indeed, you can now use
3612 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3613 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3614 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3615 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3616 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3617 anticipate wanting).
3618 </para>
3619 </sect2>
3620
3621 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3622 <para>
3623 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3624 is one that is defined using type patterns as above.
3625 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3626 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3627 generic default method.
3628 </para>
3629
3630 <para>
3631 Restrictions:
3632 <itemizedlist>
3633 <listitem>
3634 <para>
3635 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3636 field labels.
3637 </para>
3638 </listitem>
3639
3640 <listitem>
3641 <para>
3642 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3643 multi-parameter class.
3644 </para>
3645 </listitem>
3646
3647 <listitem>
3648 <para>
3649 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3650 without.  So this is illegal:
3651 <programlisting>
3652   class Foo a where
3653     op :: a -> (a, Bool)
3654     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3655     op x               = (x,    False)
3656 </programlisting>
3657 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3658 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3659 </para>
3660 </listitem>
3661
3662 <listitem>
3663 <para>
3664 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3665 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:
3666 <programlisting>
3667   class Foo a where
3668     op :: a -> Bool
3669     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3670     ...
3671 </programlisting>
3672 </para>
3673 </listitem>
3674
3675 <listitem>
3676 <para>
3677 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3678 <programlisting>
3679        a :+: b
3680        a :*: b
3681        Unit
3682 </programlisting>
3683 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3684 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3685 must use the same type variables.  So this is illegal:
3686 <programlisting>
3687   class Foo a where
3688     op :: a -> Bool
3689     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3690     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3691 </programlisting>
3692 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3693 So this too is illegal:
3694 <programlisting>
3695   class Foo a where
3696     op1 :: a -> Bool
3697     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3698
3699     op2 :: a -> Bool
3700     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3701 </programlisting>
3702 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3703 into a single generic instance declaration.)
3704 </para>
3705 </listitem>
3706
3707 <listitem>
3708 <para>
3709 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3710 </para>
3711 </listitem>
3712
3713 <listitem>
3714 <para>
3715 The type for a generic method can be built only from:
3716   <itemizedlist>
3717   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3718   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3719   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3720   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3721   </itemizedlist>
3722 Here are some example type signatures for generic methods:
3723 <programlisting>
3724     op1 :: a -> Bool
3725     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3726     op3 :: [Int] -> a -> a
3727     op4 :: [a] -> Bool
3728 </programlisting>
3729 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3730 inside a list.  
3731 </para>
3732 <para>
3733 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3734 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3735 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3736 to the ones that are allowed.</para>
3737 </listitem>
3738
3739 <listitem>
3740 <para>
3741 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3742 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3743 do so if
3744   <itemizedlist>
3745   <listitem>
3746   <para>
3747   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3748   </para>
3749   </listitem>
3750   <listitem>
3751   <para>
3752   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3753   </para>
3754   </listitem>
3755   </itemizedlist>
3756 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3757 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3758 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3759 </para>
3760 </listitem>
3761
3762 </itemizedlist>
3763 </para>
3764
3765 <para>
3766 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3767 what the compiler does with generic declarations.
3768 </para>
3769
3770 </sect2>
3771
3772 <sect2> <title> Another example </title>
3773 <para>
3774 Just to finish with, here's another example I rather like:
3775 <programlisting>
3776   class Tag a where
3777     nCons :: a -> Int
3778     nCons {| Unit |}    _ = 1
3779     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3780     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3781   
3782     tag :: a -> Int
3783     tag {| Unit |}    _       = 1
3784     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3785     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3786     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3787 </programlisting>
3788 </para>
3789 </sect2>
3790 </sect1>
3791
3792 <sect1 id="newtype-deriving">
3793 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3794
3795 <para>
3796 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3797 the new type to inherit some instances from its representation. In
3798 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3799 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3800 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3801 example, if you define
3802
3803 <programlisting> 
3804   newtype Dollars = Dollars Int 
3805 </programlisting> 
3806
3807 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3808 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3809
3810 <programlisting> 
3811   instance Num Dollars where
3812     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3813     ...
3814 </programlisting>
3815 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3816 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3817 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3818 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3819 dictionary, only slower!
3820 </para>
3821
3822 <sect2> <title> Generalising the deriving clause </title>
3823 <para>
3824 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3825 <programlisting> 
3826   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3827 </programlisting> 
3828
3829 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3830 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3831 derives an instance declaration of the form
3832
3833 <programlisting> 
3834   instance Num Int => Num Dollars
3835 </programlisting> 
3836
3837 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3838 </para>
3839 <para>
3840
3841 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3842 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3843 transformers, such that
3844
3845 <programlisting> 
3846   instance Monad m => Monad (State s m) 
3847   instance Monad m => Monad (Failure m)
3848 </programlisting> 
3849 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3850 <programlisting> 
3851   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3852 </programlisting> 
3853
3854 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3855 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3856 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3857
3858 <programlisting> 
3859   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3860                          deriving Monad
3861 </programlisting>
3862 In this case the derived instance declaration is of the form 
3863 <programlisting> 
3864   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3865 </programlisting> 
3866
3867 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3868 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3869 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3870 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3871 declaration.
3872 </para>
3873 <para>
3874
3875 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3876 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3877 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3878 clause. For example, given the class
3879
3880 <programlisting> 
3881   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3882   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3883 </programlisting> 
3884 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3885 <programlisting> 
3886   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3887                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3888 </programlisting>
3889
3890 The derived instance is obtained by completing the application of the
3891 class to the new type:
3892
3893 <programlisting> 
3894   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3895            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3896 </programlisting>
3897 </para>
3898 <para>
3899
3900 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3901 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3902 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3903 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3904 the newtype and its representation.
3905 </para>
3906 </sect2>
3907
3908 <sect2> <title> A more precise specification </title>
3909 <para>
3910 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3911 declaration (after expansion of any type synonyms)
3912
3913 <programlisting> 
3914   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3915 </programlisting> 
3916
3917 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3918 types,
3919 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3920 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3921 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3922 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3923
3924 <programlisting> 
3925   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3926 </programlisting>
3927 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3928 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3929 </para>
3930 <para>
3931
3932 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3933 <programlisting> 
3934   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3935 </programlisting> 
3936 Here we cannot derive the instance 
3937 <programlisting> 
3938   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3939 </programlisting> 
3940
3941 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3942 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3943 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3944 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3945 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3946 </para>
3947 <para>
3948
3949 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3950 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3951 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3952
3953 <programlisting> 
3954   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3955 </programlisting>
3956
3957 then we would not have been able to derive an instance for the
3958 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3959 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3960 instances is most interesting.
3961 </para>
3962 </sect2>
3963 </sect1>
3964
3965
3966
3967 <!-- Emacs stuff:
3968      ;;; Local Variables: ***
3969      ;;; mode: sgml ***
3970      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3971      ;;; End: ***
3972  -->