[project @ 2002-03-14 15:49:36 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  See
23 <xref linkend="book-hslibs">.
24 </para>
25
26 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
27   <sect1 id="options-language">
28     <title>Language options</title>
29
30     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
31     </indexterm>
32     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
33     </indexterm>
34     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
35     </indexterm>
36
37     <para> These flags control what variation of the language are
38     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
39     98.</para>
40
41     <variablelist>
42
43       <varlistentry>
44         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
45         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
46         <listitem>
47           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
48           Haskell 98 described in <xref
49           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
50           noted. </para>
51         </listitem>
52       </varlistentry>
53
54       <varlistentry>
55         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
56         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
57         <listitem>
58           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
59           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
60           flag. </para>
61         </listitem>
62       </varlistentry>
63
64       <varlistentry>
65         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
66         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
67         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
68         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
69         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
70         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
71         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
72         <listitem>
73           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
74           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
75         </listitem>
76       </varlistentry>
77
78       <varlistentry>
79         <term><option>-finline-phase</option></term>
80         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
81         <listitem>
82           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
83           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
84         </listitem>
85       </varlistentry>
86
87       <varlistentry>
88         <term><option>-fgenerics</option></term>
89         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
90         <listitem>
91           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
92           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
93         </listitem>
94       </varlistentry>
95
96         <varlistentry>
97           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
98           <listitem>
99             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
100             option</primary></indexterm> GHC normally imports
101             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
102             rather it didn't, then give it a
103             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
104             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
105             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
106             module namespace is flat, and you must not conflict with
107             any Prelude module.)</para>
108
109             <para>Even though you have not imported the Prelude, all
110             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
111             Prelude types and values, as specified by the Haskell
112             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
113             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
114             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
115             translation for list comprehensions continues to use
116             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
117
118             <para> With one group of exceptions!  You may want to
119             define your own numeric class hierarchy.  It completely
120             defeats that purpose if the literal "1" means
121             "<literal>Prelude.fromInteger 1</literal>", which is what
122             the Haskell Report specifies.  So the
123             <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes the
124             following pieces of built-in syntax to refer to <emphasis>whatever
125             is in scope</emphasis>, not the Prelude versions:</para>
126
127             <itemizedlist>
128               <listitem>
129                 <para>Integer and fractional literals mean
130                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
131                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
132                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
133                 patterns.</para>
134               </listitem>
135
136               <listitem>
137                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
138                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
139                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
140               </listitem>
141
142               <listitem>
143                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
144                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
145                 but the necessary subtraction uses whatever
146                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
147                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
148               </listitem>
149             </itemizedlist>
150
151              <para>Note: Negative literals, such as <literal>-3</literal>, are
152              specified by (a careful reading of) the Haskell Report as 
153              meaning <literal>Prelude.negate (Prelude.fromInteger 3)</literal>.
154              However, GHC deviates from this slightly, and treats them as meaning
155              <literal>fromInteger (-3)</literal>.  One particular effect of this
156              slightly-non-standard reading is that there is no difficulty with
157              the literal <literal>-2147483648</literal> at type <literal>Int</literal>;
158              it means <literal>fromInteger (-2147483648)</literal>.  The strict interpretation
159              would be <literal>negate (fromInteger 2147483648)</literal>,
160              and the call to <literal>fromInteger</literal> would overflow
161              (at type <literal>Int</literal>, remember).
162              </para>
163
164           </listitem>
165         </varlistentry>
166
167     </variablelist>
168   </sect1>
169
170 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
171 <!--    included from primitives.sgml  -->
172 &primitives;
173
174
175 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
176 <sect1 id="type-extensions">
177 <title>Type system extensions</title>
178
179 <sect2 id="nullary-types">
180 <title>Data types with no constructors</title>
181
182 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
183 a data type with no constructors.  For example:</para>
184 <programlisting>
185   data S      -- S :: *
186   data T a    -- T :: * -> *
187 </programlisting>
188 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
189 type can be parameterised, but only over ordinary types, of kind *; since
190 Haskell does not have kind signatures, you cannot parameterise over higher-kinded
191 types.</para>
192
193 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
194 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
195 </sect2>
196
197 <sect2 id="class-method-types">
198 <title>Class method types
199 </title>
200 <para>
201 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
202 class type variable, thus:
203 <programlisting>
204   class Seq s a where
205     fromList :: [a] -> s a
206     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
207 </programlisting>
208 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
209 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
210 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
211 </para>
212 <para>
213 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
214 </para>
215
216 </sect2>
217
218 <sect2 id="multi-param-type-classes">
219 <title>Multi-parameter type classes
220 </title>
221
222 <para>
223 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
224 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
225 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
226 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
227 Jones, Erik Meijer).
228 </para>
229
230 <para>
231 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
232 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
233 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
234 examples to support several generalisations.  (These appear below as
235 design choices not implemented in 3.02.)
236 </para>
237
238 <para>
239 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
240 will migrate towards the same design choices as I outline here.
241 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
242 feedback.
243 </para>
244
245 <sect3>
246 <title>Types</title>
247
248 <para>
249 There are the following restrictions on the form of a qualified
250 type:
251 </para>
252
253 <para>
254
255 <programlisting>
256   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
257 </programlisting>
258
259 </para>
260
261 <para>
262 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
263 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
264 explicit source-language type signature are universally quantified,
265 except for the class type variables in a class declaration.  However,
266 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
267 </para>
268
269 <para>
270
271 <OrderedList>
272 <listitem>
273
274 <para>
275  <emphasis>Each universally quantified type variable
276 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
277
278 The reason for this is that a value with a type that does not obey
279 this restriction could not be used without introducing
280 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
281
282
283 <programlisting>
284   forall a. Eq a => Int
285 </programlisting>
286
287
288 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
289 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
290 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
291 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
292 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
293 get any more information about <literal>tv</literal>.
294
295 </para>
296 </listitem>
297 <listitem>
298
299 <para>
300  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
301 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
302
303 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
304 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
305
306
307 <programlisting>
308   forall a. C a b => burble
309 </programlisting>
310
311
312 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
313 mention <literal>a</literal>:
314
315
316 <programlisting>
317   forall a. Eq b => burble
318 </programlisting>
319
320
321 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
322 excluded types are never useful or necessary (because the offending
323 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
324 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
325 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
326 territory free in case we need it later.
327
328 </para>
329 </listitem>
330
331 </OrderedList>
332
333 </para>
334
335 <para>
336 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
337 or inferred.
338 </para>
339
340 <para>
341 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
342 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
343 are perfectly OK
344 </para>
345
346 <para>
347
348 <programlisting>
349   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
350   g :: Eq [a] => ...
351 </programlisting>
352
353 </para>
354
355 <para>
356 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
357 </para>
358
359 </sect3>
360
361 <sect3>
362 <title>Class declarations</title>
363
364 <para>
365
366 <OrderedList>
367 <listitem>
368
369 <para>
370  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
371
372
373 <programlisting>
374   class Collection c a where
375     union :: c a -> c a -> c a
376     ...etc.
377 </programlisting>
378
379
380
381 </para>
382 </listitem>
383 <listitem>
384
385 <para>
386  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
387 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
388 this is OK:
389
390
391 <programlisting>
392   class C a where {
393     op :: D b => a -> b -> b
394   }
395
396   class C a => D a where { ... }
397 </programlisting>
398
399
400 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
401 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
402 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
403
404 </para>
405 </listitem>
406 <listitem>
407
408 <para>
409  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
410 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
411 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
412
413
414 <programlisting>
415   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
416     ...
417
418   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
419     lift :: m a -> (t m) a
420 </programlisting>
421
422
423 </para>
424 </listitem>
425 <listitem>
426
427 <para>
428  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
429 must mention at least one type variable that is not a class type
430 variable</emphasis>.
431
432 Thus:
433
434
435 <programlisting>
436   class Collection c a where
437     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
438 </programlisting>
439
440
441 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
442 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
443 <literal>a</literal>.  On the other hand:
444
445
446 <programlisting>
447   class C a where
448     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
449 </programlisting>
450
451
452 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
453 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
454 example is easily fixed by moving the offending context up to the
455 superclass context:
456
457
458 <programlisting>
459   class Eq a => C a where
460     op ::(a,b) -> (a,b)
461 </programlisting>
462
463
464 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
465 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
466 Rule 1(b) for types above.
467
468 </para>
469 </listitem>
470 <listitem>
471
472 <para>
473  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
474 the class type variables</emphasis>.  For example:
475
476
477 <programlisting>
478   class Coll s a where
479     empty  :: s
480     insert :: s -> a -> s
481 </programlisting>
482
483
484 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
485 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
486 types, and has the same motivation.
487
488 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
489 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
490
491
492 <programlisting>
493   class Coll s a where
494     empty  :: s a
495     insert :: s a -> a -> s a
496 </programlisting>
497
498
499 which makes the connection between the type of a collection of
500 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
501 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
502 class like this:
503
504
505 <programlisting>
506   class CollE s where
507     empty  :: s
508
509   class CollE s => Coll s a where
510     insert :: s -> a -> s
511 </programlisting>
512
513
514 </para>
515 </listitem>
516
517 </OrderedList>
518
519 </para>
520
521 </sect3>
522
523 <sect3 id="instance-decls">
524 <title>Instance declarations</title>
525
526 <para>
527
528 <OrderedList>
529 <listitem>
530
531 <para>
532  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
533 declarations
534
535
536 <programlisting>
537   instance context1 => C type1 where ...
538   instance context2 => C type2 where ...
539 </programlisting>
540
541
542 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
543
544 However, if you give the command line option
545 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
546 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
547 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
548 if another instance declaration also applies, either now or later.
549
550 <itemizedlist>
551 <listitem>
552
553 <para>
554  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
555 </para>
556 </listitem>
557 <listitem>
558
559 <para>
560  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
561 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
562 </para>
563 </listitem>
564 </itemizedlist>
565 Notice that these rules
566 <itemizedlist>
567 <listitem>
568
569 <para>
570  make it clear which instance decl to use
571 (pick the most specific one that matches)
572
573 </para>
574 </listitem>
575 <listitem>
576
577 <para>
578  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
579 Reason: you can pick which instance decl
580 "matches" based on the type.
581 </para>
582 </listitem>
583
584 </itemizedlist>
585 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
586 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
587 <programlisting>
588   instance C (Int,a) where ...
589   instance C (a,Bool) where ...
590 </programlisting>
591 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
592 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
593 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
594 </para>
595 <para>
596 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
597 <programlisting>
598   class C a where { op :: a -> a }
599   instance C [Int] where ...
600   instance C a => C [a] where ...
601   
602   f :: C b => [b] -> [b]
603   f x = op x
604 </programlisting>
605 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
606 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
607 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
608 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
609 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
610 the problem of subsequent instantiations.
611 </para>
612 <para>
613 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
614 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
615 instance declarations in the transitive closure of all the modules
616 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
617 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
618 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
619 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
620 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
621
622 </para>
623 </listitem>
624 <listitem>
625
626 <para>
627  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
628 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
629 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
630 example, these are OK:
631
632
633 <programlisting>
634   instance C Int a where ...
635
636   instance D (Int, Int) where ...
637
638   instance E [[a]] where ...
639 </programlisting>
640
641
642 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
643 For example, this is OK:
644
645
646 <programlisting>
647   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
648 </programlisting>
649
650
651 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
652 context reduction terminates: each reduction step removes one type
653 constructor.  For example, the following would make the type checker
654 loop if it wasn't excluded:
655
656
657 <programlisting>
658   instance C a => C a where ...
659 </programlisting>
660
661
662 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
663 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
664 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
665 something more specific does not:
666
667
668 <programlisting>
669   instance C a where
670     op = ... -- Default
671 </programlisting>
672
673
674 Second, sometimes you might want to use the following to get the
675 effect of a "class synonym":
676
677
678 <programlisting>
679   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
680
681   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
682 </programlisting>
683
684
685 This allows you to write shorter signatures:
686
687
688 <programlisting>
689   f :: C a => ...
690 </programlisting>
691
692
693 instead of
694
695
696 <programlisting>
697   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
698 </programlisting>
699
700
701 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
702 allowing these idioms.  The experimental flag
703 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
704 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
705 instance head to be type variables.
706
707 </para>
708 </listitem>
709 <listitem>
710
711 <para>
712  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
713 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
714 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
715
716
717 <programlisting>
718   type Point = (Int,Int)
719   instance C Point   where ...
720   instance C [Point] where ...
721 </programlisting>
722
723
724 is legal.  However, if you added
725
726
727 <programlisting>
728   instance C (Int,Int) where ...
729 </programlisting>
730
731
732 as well, then the compiler will complain about the overlapping
733 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
734 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
735
736
737 <programlisting>
738   type P a = [[a]]
739   instance Monad P where ...
740 </programlisting>
741
742
743 This design decision is independent of all the others, and easily
744 reversed, but it makes sense to me.
745
746 </para>
747 </listitem>
748 <listitem>
749
750 <para>
751 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
752 be type variables</emphasis>. Thus
753
754
755 <programlisting>
756 instance C a b => Eq (a,b) where ...
757 </programlisting>
758
759
760 is OK, but
761
762
763 <programlisting>
764 instance C Int b => Foo b where ...
765 </programlisting>
766
767
768 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
769 reduction terminates.
770
771 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
772 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
773 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
774 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
775 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
776 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
777 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
778
779 </para>
780 </listitem>
781
782 </OrderedList>
783
784 </para>
785
786 </sect3>
787
788 </sect2>
789
790 <sect2 id="implicit-parameters">
791 <title>Implicit parameters
792 </title>
793
794 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
795 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
796 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
797 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
798 Boston, Jan 2000.
799 </para>
800 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
801 <para>
802 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
803 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
804 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
805 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
806 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
807 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
808 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
809 only support static scoping of variables.
810 </para>
811 <para>
812 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
813 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
814 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
815 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
816 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
817 of type <literal>t'</literal>". For
818 example, the following expresses the type of a sort function,
819 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
820 <programlisting>
821   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
822 </programlisting>
823 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
824 </para>
825 <para>
826 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
827 where <literal>x</literal> is
828 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
829 dynamic binding constraints. For example, the following definition
830 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
831 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
832 <programlisting>
833   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
834
835   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
836   sort    = sortBy ?cmp
837 </programlisting>
838 Dynamic binding constraints behave just like other type class
839 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
840 function is used, its implicit parameters are inherited by the
841 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
842 to pick out the least value in a list:
843 <programlisting>
844   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
845   least xs = fst (sort xs)
846 </programlisting>
847 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
848 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
849 parameters, the default is that parameters must always be explicit
850 propagated. With implicit parameters, the default is to always
851 propagate them.
852 </para>
853 <para>
854 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
855 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
856 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
857 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
858 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
859 class constraints.
860 </para>
861 <para>
862 An implicit parameter is bound using an expression of the form 
863 <emphasis>expr</emphasis> <literal>with</literal> <emphasis>binds</emphasis>, 
864 where <literal>with</literal> is a new keyword. This form binds the implicit
865 parameters arising in the body, not the free variables as a <literal>let</literal> or
866 <literal>where</literal> would do. For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
867 <literal>cmp</literal>.
868 <programlisting>
869   min :: [a] -> a
870   min  = least with ?cmp = (<=)
871 </programlisting>
872 Syntactically, the <emphasis>binds</emphasis> part of a <literal>with</literal> construct must be a
873 collection of simple bindings to variables (no function-style
874 bindings, and no type signatures); these bindings are neither
875 polymorphic or recursive.
876 </para>
877 <para>
878 Note the following additional constraints:
879 <itemizedlist>
880 <listitem>
881 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
882 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
883 <programlisting>
884   class (?x::Int) => C a where ...
885   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
886 </programlisting>
887 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
888 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
889 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
890 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
891 </listitem>
892 </itemizedlist>
893 </para>
894
895 </sect2>
896
897 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
898 <title>Linear implicit parameters
899 </title>
900 <para>
901 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
902 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
903 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
904 </para>
905 <itemizedlist>
906 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
907 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
908 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
909 </itemizedlist>
910
911 <para>
912 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
913 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
914 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
915 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
916 (The '/' in the '%' suggests the split!)
917 </para>
918 <para>
919 For example:
920 <programlisting>
921     data NameSupply = ...
922     
923     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
924     newName :: NameSupply -> Name
925
926     instance PrelSplit.Splittable NameSupply where
927         split = splitNS
928
929
930     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
931     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
932                     where
933                       x'   = newName %ns
934                       env' = extend env x x'
935     ...more equations for f...
936 </programlisting>
937 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
938 <itemizedlist>
939 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
940 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
941 </itemizedlist>
942 </para>
943 <para>
944 So the translation done by the type checker makes
945 the parameter explicit:
946 <programlisting>
947     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
948     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
949                        where
950                          (ns1,ns2) = splitNS ns
951                          x' = newName ns2
952                          env = extend env x x'
953 </programlisting>
954 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
955 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
956 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
957 defined by
958 <programlisting>
959         class Splittable a where
960           split :: a -> (a,a)
961 </programlisting>
962 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
963 split for name supplies.  But we can simply write
964 <programlisting>
965         g x = (x, %ns, %ns)
966 </programlisting>
967 and GHC will infer
968 <programlisting>
969         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
970 </programlisting>
971 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's defined in <literal>PrelSplit</literal>,
972 and exported by <literal>GlaExts</literal>.
973 </para>
974 <para>
975 Other points:
976 <itemizedlist>
977 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
978 are entirely distinct implicit parameters: you 
979   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
980 </listitem>
981
982 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
983
984 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
985   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
986 </itemizedlist>
987 </para>
988
989 <sect3><title>Warnings</title>
990
991 <para>
992 The monomorphism restriction is even more important than usual.
993 Consider the example above:
994 <programlisting>
995     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
996     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
997                     where
998                       x'   = newName %ns
999                       env' = extend env x x'
1000 </programlisting>
1001 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1002 usually a harmless thing to do, we get:
1003 <programlisting>
1004     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1005     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1006                     where
1007                       env' = extend env x (newName %ns)
1008 </programlisting>
1009 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1010 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1011 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1012 the beta rule.
1013 </para>
1014 <para>
1015 Well, this is an experimental change.  With implicit
1016 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1017 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1018 Haskell programs without knowing their typing.
1019 </para>
1020
1021 </sect3>
1022
1023 </sect2>
1024
1025 <sect2 id="functional-dependencies">
1026 <title>Functional dependencies
1027 </title>
1028
1029 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1030 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1031 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1032 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1033 </para>
1034
1035 <para>
1036 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1037 </para>
1038 </sect2>
1039
1040
1041 <sect2 id="universal-quantification">
1042 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1043 </title>
1044
1045 <para>
1046 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1047 allows us to say exactly what this means.  For example:
1048 </para>
1049 <para>
1050 <programlisting>
1051         g :: b -> b
1052 </programlisting>
1053 means this:
1054 <programlisting>
1055         g :: forall b. (b -> b)
1056 </programlisting>
1057 The two are treated identically.
1058 </para>
1059
1060 <para>
1061 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1062 explicit universal quantification in
1063 types. 
1064 For example, all the following types are legal:
1065 <programlisting>
1066     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1067     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1068
1069     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1070     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1071
1072     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1073 </programlisting>
1074 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1075 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1076 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1077 is implicitly added by Haskell.
1078 </para>
1079 <para>
1080 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1081 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1082 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1083 </para>
1084 <para>
1085 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1086 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1087 </para>
1088 <para>
1089 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1090 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1091 that restriction has now been lifted.)
1092 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1093 including an operational type class context, is legal:
1094 <itemizedlist>
1095 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1096 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1097 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1098 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1099 field type signatures.</para> </listitem>
1100 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1101 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1102 </itemizedlist>
1103 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1104 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1105 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1106 <programlisting>
1107     x1 :: [forall a. a->a]
1108     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1109     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1110 </programlisting>
1111 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1112 a type variable any more!
1113 </para>
1114
1115
1116 <sect3 id="univ">
1117 <title>Examples
1118 </title>
1119
1120 <para>
1121 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1122 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1123 </para>
1124
1125 <para>
1126
1127 <programlisting>
1128 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1129
1130 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1131                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1132                         }
1133
1134 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1135 </programlisting>
1136
1137 </para>
1138
1139 <para>
1140 The constructors have rank-2 types:
1141 </para>
1142
1143 <para>
1144
1145 <programlisting>
1146 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1147 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1148                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1149                   -> MonadT m
1150 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1151 </programlisting>
1152
1153 </para>
1154
1155 <para>
1156 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1157 explicit context.  For example in the first argument of the
1158 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1159 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1160 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1161 mentioned in the type quantified over.
1162 </para>
1163
1164 <para>
1165 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1166 types too.  So if you write this:
1167
1168 <programlisting>
1169   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1170 </programlisting>
1171
1172 it's just as if you had written this:
1173
1174 <programlisting>
1175   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1176 </programlisting>
1177
1178 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1179 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1180 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1181 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1182 </para>
1183
1184 <para>
1185 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1186 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1187 </para>
1188
1189 <para>
1190
1191 <programlisting>
1192     a1 :: T Int
1193     a1 = T1 (\xy->x) 3
1194     
1195     a2, a3 :: Swizzle
1196     a2 = MkSwizzle sort
1197     a3 = MkSwizzle reverse
1198     
1199     a4 :: MonadT Maybe
1200     a4 = let r x = Just x
1201              b m k = case m of
1202                        Just y -> k y
1203                        Nothing -> Nothing
1204          in
1205          MkMonad r b
1206
1207     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1208     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1209 </programlisting>
1210
1211 </para>
1212
1213 <para>
1214 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1215 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1216 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1217 </para>
1218
1219 <para>
1220 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1221 polymorphic types.  For example:
1222 </para>
1223
1224 <para>
1225
1226 <programlisting>
1227     f :: T a -> a -> (a, Char)
1228     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1229
1230     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1231     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1232
1233     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1234     h m [] = return m []
1235     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1236                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1237                  return m (y:ys)
1238 </programlisting>
1239
1240 </para>
1241
1242 <para>
1243 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1244 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1245 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1246 matching.
1247 </para>
1248 </sect3>
1249
1250 <sect3>
1251 <title>Type inference</title>
1252
1253 <para>
1254 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1255 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1256 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1257 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1258 </para>
1259 <para>
1260 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1261 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1262 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1263 </para>
1264 <para>
1265 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1266 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1267 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1268 <programlisting>
1269      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1270 </programlisting>
1271 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1272 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1273 <programlisting>
1274      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1275 </programlisting>
1276 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1277 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1278 one can give a type signature for the function itself:
1279 <programlisting>
1280      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1281      h f = (f True, f 'c')
1282 </programlisting>
1283 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1284 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1285 <programlisting>
1286     f :: T a -> a -> (a, Char)
1287     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1288 </programlisting>
1289 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1290 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1291 it needs to know.
1292 </para>
1293
1294 </sect3>
1295
1296
1297 <sect3 id="implicit-quant">
1298 <title>Implicit quantification</title>
1299
1300 <para>
1301 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1302 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1303 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1304 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1305 equivalent:
1306 <programlisting>
1307   f :: a -> a
1308   f :: forall a. a -> a
1309
1310   g (x::a) = let
1311                 h :: a -> b -> b
1312                 h x y = y
1313              in ...
1314   g (x::a) = let
1315                 h :: forall b. a -> b -> b
1316                 h x y = y
1317              in ...
1318 </programlisting>
1319 </para>
1320 <para>
1321 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1322 point.  For example:
1323 <programlisting>
1324   f :: (a -> a) -> Int
1325            -- MEANS
1326   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1327            -- NOT
1328   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1329
1330
1331   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1332            -- MEANS the illegal type
1333   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1334            -- NOT
1335   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1336 </programlisting>
1337 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1338 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1339 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1340 for rank-2 types.
1341 </para>
1342 </sect3>
1343 </sect2>
1344
1345 <sect2>
1346 <title>Liberalised type synonyms 
1347 </title>
1348
1349 <para>
1350 Type synonmys are like macros at the type level, and
1351 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1352 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1353 <itemizedlist>
1354 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1355 in a type synonym, thus:
1356 <programlisting>
1357   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1358
1359   f :: Discard a
1360   f x y = (x, show y)
1361
1362   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1363   g f = f Int True
1364 </programlisting>
1365 </para>
1366 </listitem>
1367
1368 <listitem><para>
1369 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1370 <programlisting>
1371   type Pr = (# Int, Int #)
1372
1373   h :: Int -> Pr
1374   h x = (# x, x #)
1375 </programlisting>
1376 </para></listitem>
1377
1378 <listitem><para>
1379 You can apply a type synonym to a forall type:
1380 <programlisting>
1381   type Foo a = a -> a -> Bool
1382  
1383   f :: Foo (forall b. b->b)
1384 </programlisting>
1385 After epxanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1386 <programlisting>
1387   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1388 </programlisting>
1389 </para></listitem>
1390
1391 <listitem><para>
1392 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1393 <programlisting>
1394   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1395   type Id x = x
1396   
1397   foo :: Generic Id []
1398 </programlisting>
1399 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1400 <programlisting>
1401   foo :: forall x. x -> [x]
1402 </programlisting>
1403 </para></listitem>
1404
1405 </itemizedlist>
1406 </para>
1407
1408 <para>
1409 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1410 could be changed.)
1411 </para>
1412 <para>
1413 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1414 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1415 <itemizedlist>
1416 <listitem><para>
1417 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1418 </para></listitem>
1419 <listitem><para>
1420 Unboxed tuple on left of an arrow.
1421 </para></listitem>
1422 <listitem><para>
1423 Partially-applied type synonym.
1424 </para></listitem>
1425 </itemizedlist>
1426 So, for example,
1427 this will be rejected:
1428 <programlisting>
1429   type Pr = (# Int, Int #)
1430
1431   h :: Pr -> Int
1432   h x = ...
1433 </programlisting>
1434 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1435 </para>
1436 </sect2>
1437
1438 <sect2 id="hoist">
1439 <title>For-all hoisting</title>
1440 <para>
1441 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
1442 end of an arrow, thus:
1443 <programlisting>
1444   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1445
1446   g :: Int -> Discard Int
1447   g x y z = x+y
1448 </programlisting>
1449 Simply expanding the type synonym would give
1450 <programlisting>
1451   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1452 </programlisting>
1453 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1454 <programlisting>
1455   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1456 </programlisting>
1457 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1458 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1459 performs the transformation:</emphasis>
1460 <programlisting>
1461   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1462 ==>
1463   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1464 </programlisting>
1465 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1466 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1467 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1468 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1469 <programlisting>
1470   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1471 </programlisting>
1472 </para>
1473 </sect2>
1474
1475
1476 <sect2 id="existential-quantification">
1477 <title>Existentially quantified data constructors
1478 </title>
1479
1480 <para>
1481 The idea of using existential quantification in data type declarations
1482 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1483 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1484 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1485 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1486 </para>
1487
1488 <para>
1489
1490 <programlisting>
1491   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1492            | Nil
1493 </programlisting>
1494
1495 </para>
1496
1497 <para>
1498 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1499 </para>
1500
1501 <para>
1502
1503 <programlisting>
1504   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1505   Nil   :: Foo
1506 </programlisting>
1507
1508 </para>
1509
1510 <para>
1511 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1512 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1513 For example, the following expression is fine:
1514 </para>
1515
1516 <para>
1517
1518 <programlisting>
1519   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1520 </programlisting>
1521
1522 </para>
1523
1524 <para>
1525 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1526 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1527 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1528 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1529 </para>
1530
1531 <para>
1532 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1533 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1534 </para>
1535
1536 <para>
1537
1538 <programlisting>
1539   f (MkFoo val fn) = ???
1540 </programlisting>
1541
1542 </para>
1543
1544 <para>
1545 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1546 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1547 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1548 </para>
1549
1550 <para>
1551
1552 <programlisting>
1553   f :: Foo -> Bool
1554   f (MkFoo val fn) = fn val
1555 </programlisting>
1556
1557 </para>
1558
1559 <para>
1560 What this allows us to do is to package heterogenous values
1561 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1562 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1563 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1564 </para>
1565
1566 <sect3 id="existential">
1567 <title>Why existential?
1568 </title>
1569
1570 <para>
1571 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1572 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1573 </para>
1574
1575 <para>
1576
1577 <programlisting>
1578   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1579 </programlisting>
1580
1581 </para>
1582
1583 <para>
1584 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1585 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1586 adding a new existential quantification construct.
1587 </para>
1588
1589 </sect3>
1590
1591 <sect3>
1592 <title>Type classes</title>
1593
1594 <para>
1595 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1596 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1597 </para>
1598
1599 <para>
1600
1601 <programlisting>
1602 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1603          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1604 </programlisting>
1605
1606 </para>
1607
1608 <para>
1609 The two constructors have the types you'd expect:
1610 </para>
1611
1612 <para>
1613
1614 <programlisting>
1615 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1616 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1617 </programlisting>
1618
1619 </para>
1620
1621 <para>
1622 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1623 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1624 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1625 So this program is legal:
1626 </para>
1627
1628 <para>
1629
1630 <programlisting>
1631   f :: Baz -> String
1632   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1633                | otherwise = "No"
1634   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1635 </programlisting>
1636
1637 </para>
1638
1639 <para>
1640 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1641 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1642 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1643 extract it on pattern matching.
1644 </para>
1645
1646 <para>
1647 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1648 universal quantification earlier.
1649 </para>
1650
1651 </sect3>
1652
1653 <sect3>
1654 <title>Restrictions</title>
1655
1656 <para>
1657 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1658 constructors can be use.
1659 </para>
1660
1661 <para>
1662
1663 <itemizedlist>
1664 <listitem>
1665
1666 <para>
1667  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1668 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1669 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1670 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1671
1672
1673 <programlisting>
1674 f1 (MkFoo a f) = a
1675 </programlisting>
1676
1677
1678 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1679 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1680 ask what type <function>f1</function> has:
1681
1682
1683 <programlisting>
1684   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1685 </programlisting>
1686
1687
1688 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1689 this:
1690
1691
1692 <programlisting>
1693   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1694 </programlisting>
1695
1696
1697 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1698
1699
1700 <programlisting>
1701   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1702 </programlisting>
1703
1704
1705 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1706 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1707 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1708
1709
1710 </para>
1711 </listitem>
1712 <listitem>
1713
1714 <para>
1715 You can't pattern-match on an existentially quantified
1716 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1717 bindings. So this is illegal:
1718
1719
1720 <programlisting>
1721   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1722 </programlisting>
1723
1724
1725 You can only pattern-match
1726 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1727 in the patterns of a function definition.
1728
1729 The reason for this restriction is really an implementation one.
1730 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1731 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1732 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1733 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1734 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1735 annoying it is.
1736
1737 </para>
1738 </listitem>
1739 <listitem>
1740
1741 <para>
1742 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1743 declarations.  So this is illegal:
1744
1745
1746 <programlisting>
1747   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1748 </programlisting>
1749
1750
1751 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
1752 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
1753 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
1754 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
1755 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
1756 overloading involved, then there is more of a case for allowing
1757 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
1758 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
1759 but single-field existentially quantified constructors aren't much
1760 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
1761 stands, unless there are convincing reasons to change it.
1762
1763
1764 </para>
1765 </listitem>
1766 <listitem>
1767
1768 <para>
1769  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1770 data type with existentially quantified data constructors.
1771
1772 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1773
1774 <programlisting>
1775 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1776 </programlisting>
1777
1778 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1779 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1780
1781 <programlisting>
1782 instance Eq T where
1783   (MkT a) == (MkT b) = ???
1784 </programlisting>
1785
1786 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1787 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1788 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1789 declarations.  Define your own instances!
1790 </para>
1791 </listitem>
1792
1793 </itemizedlist>
1794
1795 </para>
1796
1797 </sect3>
1798
1799 </sect2>
1800
1801 <sect2 id="scoped-type-variables">
1802 <title>Scoped Type Variables
1803 </title>
1804
1805 <para>
1806 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
1807 variable</emphasis>.  For example
1808 </para>
1809
1810 <para>
1811
1812 <programlisting>
1813 f (xs::[a]) = ys ++ ys
1814            where
1815               ys :: [a]
1816               ys = reverse xs
1817 </programlisting>
1818
1819 </para>
1820
1821 <para>
1822 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
1823 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
1824 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
1825 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
1826 </para>
1827
1828 <para>
1829  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
1830 type signatures.  The two can be used independently or together.
1831 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
1832 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
1833 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
1834 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
1835 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
1836 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
1837 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
1838 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
1839 it becomes possible to do so.
1840 </para>
1841
1842 <para>
1843 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
1844 implementations differ from the specification below, those differences
1845 are noted.
1846 </para>
1847
1848 <para>
1849 So much for the basic idea.  Here are the details.
1850 </para>
1851
1852 <sect3>
1853 <title>What a pattern type signature means</title>
1854 <para>
1855 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
1856 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
1857 of the same name mean the same type.  For example:
1858 <programlisting>
1859   f :: [Int] -> Int -> Int
1860   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
1861 </programlisting>
1862 The pattern type signatures on the left hand side of
1863 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
1864 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
1865 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
1866 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
1867 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
1868 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
1869 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
1870 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
1871 For example, all of these are legal:</para>
1872
1873 <programlisting>
1874   t (x::a) (y::a) = x+y*2
1875
1876   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
1877
1878   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
1879
1880   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
1881         in k x                  -- environment
1882
1883   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
1884   k (x::Int) False = ...
1885
1886   w :: [b] -> [b]
1887   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
1888 </programlisting>
1889
1890 </sect3>
1891
1892 <sect3>
1893 <title>Scope and implicit quantification</title>
1894
1895 <para>
1896
1897 <itemizedlist>
1898 <listitem>
1899
1900 <para>
1901 All the type variables mentioned in a pattern,
1902 that are not already in scope,
1903 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
1904 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
1905 For example:
1906 <programlisting>
1907   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
1908              in
1909              g (x,True)
1910 </programlisting>
1911 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
1912 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
1913 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
1914 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
1915 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
1916 </para>
1917 </listitem>
1918
1919 <listitem>
1920 <para>
1921 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
1922 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
1923 <programlisting>
1924   let
1925     f (x::a) = <...rhs of f...>
1926     (p::b, q::b) = (1,2)
1927   in <...body of let...>
1928 </programlisting>
1929 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
1930 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
1931 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
1932 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
1933 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
1934 type signatures in the <literal>let</literal> group.
1935 </para>
1936 </listitem>
1937
1938
1939 <listitem>
1940 <para>
1941 The type variables bound by the pattern may be 
1942 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
1943 type signatures anywhere within their scope.
1944
1945 </para>
1946 </listitem>
1947
1948 <listitem>
1949 <para>
1950  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
1951 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
1952
1953 </para>
1954 </listitem>
1955
1956 <listitem>
1957
1958 <para>
1959  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
1960 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
1961
1962 <programlisting>
1963   f :: a -> a
1964   f x = x::a
1965 </programlisting>
1966
1967 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
1968 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
1969 and that is an incorrect typing.
1970
1971 </para>
1972 </listitem>
1973
1974 <listitem>
1975 <para>
1976 The pattern type signature is a monotype:
1977 </para>
1978
1979 <itemizedlist>
1980 <listitem> <para> 
1981 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
1982 </para> </listitem>
1983
1984 <listitem>  <para> 
1985 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
1986 not to type schemes.
1987 </para> </listitem>
1988
1989 <listitem>  <para> 
1990 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
1991 ordinary type signatures).
1992 </para> </listitem>
1993
1994 </itemizedlist>
1995
1996 </listitem>
1997
1998 <listitem>
1999 <para>
2000
2001 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2002 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2003
2004
2005 <programlisting>
2006   class C a where
2007     op :: [a] -> a
2008
2009     op xs = let ys::[a]
2010                 ys = reverse xs
2011             in
2012             head ys
2013 </programlisting>
2014
2015
2016 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2017 </para>
2018 </listitem>
2019
2020 </itemizedlist>
2021
2022 </para>
2023
2024 </sect3>
2025
2026 <sect3>
2027 <title>Result type signatures</title>
2028
2029 <para>
2030
2031 <itemizedlist>
2032 <listitem>
2033
2034 <para>
2035  The result type of a function can be given a signature,
2036 thus:
2037
2038
2039 <programlisting>
2040   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2041 </programlisting>
2042
2043
2044 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2045 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2046 you want:
2047
2048
2049 <programlisting>
2050   f :: Int -> [a] -> [a]
2051   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2052                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2053 </programlisting>
2054
2055
2056 </para>
2057 </listitem>
2058
2059 </itemizedlist>
2060
2061 </para>
2062
2063 <para>
2064 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2065 </para>
2066
2067 </sect3>
2068
2069 <sect3>
2070 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2071
2072 <para>
2073 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2074 <itemizedlist>
2075
2076 <listitem>
2077 <para>
2078 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2079 ust on a variable:
2080
2081
2082 <programlisting>
2083   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2084 </programlisting>
2085
2086
2087 </para>
2088 </listitem>
2089 <listitem>
2090
2091 <para>
2092  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2093 in lambda abstractions:
2094
2095 <programlisting>
2096   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2097 </programlisting>
2098 </para>
2099 </listitem>
2100 <listitem>
2101
2102 <para>
2103  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2104 in <literal>case</literal> expressions:
2105
2106
2107 <programlisting>
2108   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2109 </programlisting>
2110
2111 </para>
2112 </listitem>
2113
2114 <listitem>
2115 <para>
2116 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2117 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2118 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2119 consider how one would parse this:
2120
2121
2122 <programlisting>
2123   \ x :: a -> b -> x
2124 </programlisting>
2125
2126
2127 </para>
2128 </listitem>
2129
2130 <listitem>
2131
2132 <para>
2133  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2134 For example:
2135
2136
2137 <programlisting>
2138   data T = forall a. MkT [a]
2139
2140   f :: T -> T
2141   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2142                  where
2143                    t3::[a] = [t,t,t]
2144 </programlisting>
2145
2146
2147 </para>
2148 </listitem>
2149
2150
2151 <listitem>
2152
2153 <para>
2154 Pattern type signatures 
2155 can be used in pattern bindings:
2156
2157 <programlisting>
2158   f x = let (y, z::a) = x in ...
2159   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2160   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2161   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2162 </programlisting>
2163
2164 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2165 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2166 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2167 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2168 In contrast, the binding
2169 <programlisting>
2170   f4 :: b->b
2171   f4 = \x -> x
2172 </programlisting>
2173 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2174 in <literal>f4</literal>'s scope.
2175
2176 </para>
2177 </listitem>
2178 </itemizedlist>
2179 </para>
2180
2181 </sect3>
2182 </sect2>
2183
2184 <sect2 id="sec-kinding">
2185 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2186
2187 <para>
2188 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2189 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2190 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2191 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2192 John Hughes had to define the data type:
2193 <Screen>
2194      data Set cxt a = Set [a]
2195                     | Unused (cxt a -> ())
2196 </Screen>
2197 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2198 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2199 </para>
2200 <para>
2201 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2202 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2203 <itemizedlist>
2204 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2205 <Screen>
2206   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2207 </Screen></para></listitem>
2208 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2209 <Screen>
2210   type T (f :: * -> *) = f Int
2211 </Screen></para></listitem>
2212 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2213 <Screen>
2214   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2215 </Screen></para></listitem>
2216 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2217 <Screen>
2218   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2219 </Screen></para></listitem>
2220 </itemizedlist>
2221 </para>
2222
2223 <para>
2224 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2225 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2226 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2227 single lexeme in Haskell.
2228 </para>
2229
2230 <para>
2231 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2232 as well.  Thus:
2233 <Screen>
2234    f :: (Int :: *) -> Int
2235    g :: forall a. a -> (a :: *)
2236 </Screen>
2237 The syntax is
2238 <Screen>
2239    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2240 </Screen>
2241 The parentheses are required.
2242 </para>
2243 </sect2>
2244
2245 </sect1>
2246 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
2247   
2248
2249 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
2250
2251 <sect1 id="sec-assertions">
2252 <title>Assertions
2253 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2254 </title>
2255
2256 <para>
2257 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2258 could define a function like the following:
2259 </para>
2260
2261 <para>
2262
2263 <programlisting>
2264 assert :: Bool -> a -> a
2265 assert False x = error "assertion failed!"
2266 assert _     x = x
2267 </programlisting>
2268
2269 </para>
2270
2271 <para>
2272 which works, but gives you back a less than useful error message --
2273 an assertion failed, but which and where?
2274 </para>
2275
2276 <para>
2277 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2278 takes a descriptive string to include in the error message and
2279 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2280 the source location where <function>assert</function> was used.
2281 </para>
2282
2283 <para>
2284 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2285 use of <function>assert</function> in the user's source:
2286 </para>
2287
2288 <para>
2289
2290 <programlisting>
2291 kelvinToC :: Double -> Double
2292 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2293 </programlisting>
2294
2295 </para>
2296
2297 <para>
2298 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2299 assertion was made,
2300 </para>
2301
2302 <para>
2303
2304 <programlisting>
2305 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2306 </programlisting>
2307
2308 </para>
2309
2310 <para>
2311 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2312 applications of <function>Exception.assert</function>, so you can still define and
2313 use your own versions of <function>assert</function>, should you so wish. If not,
2314 import <literal>Exception</literal> to make use <function>assert</function> in your code.
2315 </para>
2316
2317 <para>
2318 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2319 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts option</primary></indexterm> That is,
2320 expressions of the form <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to <literal>e</literal>.
2321 </para>
2322
2323 <para>
2324 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2325 <literal>Exception</literal> library (<xref linkend="sec-Exception">)
2326 for the details.
2327 </para>
2328
2329 </sect1>
2330
2331 <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
2332
2333 <sect1 id="pattern-guards">
2334 <title>Pattern guards</title>
2335
2336 <para>
2337 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
2338 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.)
2339 </para>
2340
2341 <para>
2342 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
2343 lookup operation:
2344
2345 <programlisting>
2346 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
2347 </programlisting>
2348
2349 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
2350 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
2351 </para>
2352
2353 <programlisting>
2354 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
2355 | otherwise  = var1 + var2
2356 where
2357   m1 = lookup env var1
2358   m2 = lookup env var2
2359   ok1 = maybeToBool m1
2360   ok2 = maybeToBool m2
2361   val1 = expectJust m1
2362   val2 = expectJust m2
2363 </programlisting>
2364
2365 <para>
2366 The auxiliary functions are 
2367 </para>
2368
2369 <programlisting>
2370 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
2371 maybeToBool (Just x) = True
2372 maybeToBool Nothing  = False
2373
2374 expectJust :: Maybe a -&gt; a
2375 expectJust (Just x) = x
2376 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
2377 </programlisting>
2378
2379 <para>
2380 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
2381 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
2382 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
2383 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
2384 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
2385 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
2386 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
2387 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
2388 </para>
2389
2390 <para>
2391 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
2392 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
2393 to write clunky would be to use case expressions:
2394 </para>
2395
2396 <programlisting>
2397 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
2398   Nothing -&gt; fail
2399   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
2400     Nothing -&gt; fail
2401     Just val2 -&gt; val1 + val2
2402 where
2403   fail = val1 + val2
2404 </programlisting>
2405
2406 <para>
2407 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
2408 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
2409 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
2410 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
2411 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
2412 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
2413 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
2414 tends to become more and more indented. 
2415 </para>
2416
2417 <para>
2418 Here is how I would write clunky:
2419 </para>
2420
2421 <programlisting>
2422 clunky env var1 var1
2423   | Just val1 &lt;- lookup env var1
2424   , Just val2 &lt;- lookup env var2
2425   = val1 + val2
2426 ...other equations for clunky...
2427 </programlisting>
2428
2429 <para>
2430 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
2431 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
2432 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
2433 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
2434 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
2435 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
2436 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
2437 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
2438 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
2439 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
2440 </para>
2441
2442 <para>
2443 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
2444 with among the pattern guards.  For example:
2445 </para>
2446
2447 <programlisting>
2448 f x | [y] <- x
2449     , y > 3
2450     , Just z <- h y
2451     = ...
2452 </programlisting>
2453
2454 <para>
2455 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
2456 qualifier list has just one element, a boolean expression.
2457 </para>
2458 </sect1>
2459
2460 <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
2461
2462   <sect1 id="parallel-list-comprehensions">
2463     <title>Parallel List Comprehensions</title>
2464     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
2465     </indexterm>
2466     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
2467     </indexterm>
2468
2469     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
2470     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
2471     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
2472     extend this to include the zipWith family.</para>
2473
2474     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
2475     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
2476     example, the following zips together two lists:</para>
2477
2478 <programlisting>
2479    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
2480 </programlisting>
2481
2482     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
2483     zip, in that the resulting list will have the same length as the
2484     shortest branch.</para>
2485
2486     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
2487     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
2488
2489     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
2490
2491 <programlisting>
2492    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
2493        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
2494        ... 
2495    ] 
2496 </programlisting>
2497
2498     <para>This will be translated to: </para>
2499
2500 <programlisting>
2501    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
2502                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
2503                                          ... 
2504    ] 
2505 </programlisting>
2506
2507     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
2508     branches.</para>
2509
2510   </sect1>
2511
2512 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
2513
2514   <sect1 id="pragmas">
2515     <title>Pragmas</title>
2516
2517     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2518
2519     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2520     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2521     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2522     of the generated code.</para>
2523
2524     <para>Pragmas all take the form
2525
2526 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2527
2528     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2529     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2530     type of pragma.  Case is ignored in
2531     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2532     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2533     in the following sections; any pragma encountered with an
2534     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2535     ignored.</para>
2536
2537 <sect2 id="inline-pragma">
2538 <title>INLINE pragma
2539
2540 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2541 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2542
2543 <para>
2544 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2545 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2546 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2547 </para>
2548
2549 <para>
2550 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2551 interface files.
2552 </para>
2553
2554 <para>
2555 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2556 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2557 use.
2558 </para>
2559
2560 <para>
2561 The sledgehammer you can bring to bear is the
2562 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2563
2564 <programlisting>
2565 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2566
2567 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2568 {-# INLINE key_function #-}
2569 #endif
2570 </programlisting>
2571
2572 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2573 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2574 </para>
2575
2576 <para>
2577 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2578 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2579 very keen to inline it.
2580 </para>
2581
2582 <para>
2583 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2584 signature could be put.
2585 </para>
2586
2587 <para>
2588 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2589 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2590 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2591
2592 <programlisting>
2593 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2594 {-# INLINE thenUs #-}
2595 {-# INLINE returnUs #-}
2596 #endif
2597 </programlisting>
2598
2599 </para>
2600
2601 </sect2>
2602
2603 <sect2 id="noinline-pragma">
2604 <title>NOINLINE pragma
2605 </title>
2606
2607 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2608 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2609 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2610 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2611
2612 <para>
2613 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2614 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2615 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2616 size.
2617 </para>
2618
2619 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2620 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2621 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2622 used if you want your code to be portable).</para>
2623
2624 </sect2>
2625
2626     <sect2 id="specialize-pragma">
2627       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2628
2629       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2630       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2631       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2632
2633       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2634       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2635       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2636       overloaded function:</para>
2637
2638 <programlisting>
2639 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2640 </programlisting>
2641
2642       <para>If it is heavily used on lists with
2643       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2644       follows:</para>
2645
2646 <programlisting>
2647 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2648 </programlisting>
2649
2650       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2651       to use for the specialised value, as in:</para>
2652
2653 <programlisting>
2654 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2655 </programlisting>
2656
2657       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2658       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2659       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2660       Responsibility</emphasis> to make sure that
2661       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2662       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2663
2664       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2665       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2666       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2667       <xref linkend="rules"> for more information on
2668       <literal>RULES</literal>.</para>
2669
2670       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2671       specialisation will Win Big:
2672
2673 <programlisting>
2674 toDouble :: Real a => a -> Double
2675 toDouble = fromRational . toRational
2676
2677 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2678 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2679 </programlisting>
2680
2681       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2682       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2683       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2684       comparison.</para>
2685
2686       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2687       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2688
2689     </sect2>
2690
2691 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2692 <title>SPECIALIZE instance pragma
2693 </title>
2694
2695 <para>
2696 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2697 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2698 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2699
2700 <programlisting>
2701 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2702    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2703    ... usual stuff ...
2704  }
2705 </programlisting>
2706 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2707 of the instance declaration.
2708 </para>
2709 <para>
2710 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2711 of the pragma.
2712 </para>
2713
2714 </sect2>
2715
2716 <sect2 id="line-pragma">
2717 <title>LINE pragma
2718 </title>
2719
2720 <para>
2721 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2722 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2723 </para>
2724
2725 <para>
2726 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2727 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2728 number and filename of the original code; for example
2729 </para>
2730
2731 <para>
2732
2733 <programlisting>
2734 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2735 </programlisting>
2736
2737 </para>
2738
2739 <para>
2740 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2741 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2742 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2743 pragma.
2744 </para>
2745
2746 </sect2>
2747
2748 <sect2 id="rules">
2749 <title>RULES pragma</title>
2750
2751 <para>
2752 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2753 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2754 </para>
2755
2756 </sect2>
2757
2758 <sect2 id="deprecated-pragma">
2759 <title>DEPRECATED pragma</title>
2760
2761 <para>
2762 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2763 There are two forms.  
2764 </para>
2765 <itemizedlist>
2766 <listitem><para>
2767 You can deprecate an entire module thus:</para>
2768 <programlisting>
2769    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2770      ...
2771 </programlisting>
2772 <para>
2773 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2774 the specified message.</para>
2775 </listitem>
2776
2777 <listitem>
2778 <para>
2779 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2780 </para>
2781 <programlisting>
2782    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2783 </programlisting>
2784 <para>
2785 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2786 GHC will print the specified message.
2787 </para>
2788 </listitem>
2789 </itemizedlist>
2790 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2791
2792 </sect2>
2793
2794 </sect1>
2795
2796 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
2797
2798 <sect1 id="rewrite-rules">
2799 <title>Rewrite rules
2800
2801 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2802 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2803 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2804
2805 <para>
2806 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2807 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2808 </para>
2809
2810 <para>
2811 Here is an example:
2812
2813 <programlisting>
2814   {-# RULES
2815         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2816   #-}
2817 </programlisting>
2818
2819 </para>
2820
2821 <sect2>
2822 <title>Syntax</title>
2823
2824 <para>
2825 From a syntactic point of view:
2826
2827 <itemizedlist>
2828 <listitem>
2829
2830 <para>
2831  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
2832 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
2833 </para>
2834 </listitem>
2835 <listitem>
2836
2837 <para>
2838  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
2839 </para>
2840 </listitem>
2841 <listitem>
2842
2843 <para>
2844  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
2845 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
2846 enclosing definitions.
2847 </para>
2848 </listitem>
2849 <listitem>
2850
2851 <para>
2852  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
2853 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
2854 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
2855 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
2856 </para>
2857 </listitem>
2858 <listitem>
2859
2860 <para>
2861  A pattern variable may optionally have a type signature.
2862 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
2863 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
2864
2865 <programlisting>
2866 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
2867               foldr k z (build g) = g k z
2868 </programlisting>
2869
2870 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
2871
2872 </para>
2873 </listitem>
2874 <listitem>
2875
2876 <para>
2877 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
2878 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
2879
2880 <programlisting>
2881 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
2882 "wrong2"   forall f.      f True = True
2883 </programlisting>
2884
2885 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
2886 in the head.
2887 </para>
2888 </listitem>
2889 <listitem>
2890
2891 <para>
2892  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
2893 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
2894 </para>
2895 </listitem>
2896 <listitem>
2897
2898 <para>
2899  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
2900 </para>
2901 </listitem>
2902
2903 </itemizedlist>
2904
2905 </para>
2906
2907 </sect2>
2908
2909 <sect2>
2910 <title>Semantics</title>
2911
2912 <para>
2913 From a semantic point of view:
2914
2915 <itemizedlist>
2916 <listitem>
2917
2918 <para>
2919 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
2920 </para>
2921 </listitem>
2922
2923 <listitem>
2924 <para>
2925  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
2926 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
2927 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
2928 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
2929 expression by substituting for the pattern variables.
2930
2931 </para>
2932 </listitem>
2933 <listitem>
2934
2935 <para>
2936  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
2937 same type.
2938
2939 </para>
2940 </listitem>
2941 <listitem>
2942
2943 <para>
2944  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
2945 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
2946 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
2947
2948 </para>
2949 </listitem>
2950 <listitem>
2951
2952 <para>
2953  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
2954 terminating.  For example:
2955
2956 <programlisting>
2957   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
2958 </programlisting>
2959
2960 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
2961
2962 </para>
2963 </listitem>
2964 <listitem>
2965
2966 <para>
2967  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
2968
2969 </para>
2970 </listitem>
2971 <listitem>
2972 <para>
2973  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
2974 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
2975 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
2976 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
2977 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
2978 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
2979 </para>
2980
2981 <para>
2982 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
2983 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
2984 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
2985 </para>
2986 </listitem>
2987 <listitem>
2988
2989 <para>
2990  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
2991 For example, consider:
2992
2993 <programlisting>
2994   let s = map f
2995       t = map g
2996   in
2997   s (t xs)
2998 </programlisting>
2999
3000 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3001 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3002 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3003 not be substituted, and the rule would not fire.
3004
3005 </para>
3006 </listitem>
3007 <listitem>
3008
3009 <para>
3010  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3011 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3012 for something you can't match against it (given the simple minded
3013 matching).  So if you write the rule
3014
3015 <programlisting>
3016         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3017 </programlisting>
3018
3019 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3020 It will only match something written with explicit use of ".".
3021 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3022
3023 <programlisting>
3024 wibble f g xs
3025 </programlisting>
3026
3027 where <function>wibble</function> is defined:
3028
3029 <programlisting>
3030 wibble f g = map f . map g
3031 </programlisting>
3032
3033 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3034
3035 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3036 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3037 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3038
3039 </para>
3040 </listitem>
3041 <listitem>
3042
3043 <para>
3044  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3045 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3046 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3047 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3048 declarations.
3049 </para>
3050 </listitem>
3051
3052 </itemizedlist>
3053
3054 </para>
3055
3056 </sect2>
3057
3058 <sect2>
3059 <title>List fusion</title>
3060
3061 <para>
3062 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3063 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3064 intermediate list should be eliminated entirely.
3065 </para>
3066
3067 <para>
3068 The following are good producers:
3069
3070 <itemizedlist>
3071 <listitem>
3072
3073 <para>
3074  List comprehensions
3075 </para>
3076 </listitem>
3077 <listitem>
3078
3079 <para>
3080  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3081 </para>
3082 </listitem>
3083 <listitem>
3084
3085 <para>
3086  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3087 </para>
3088 </listitem>
3089 <listitem>
3090
3091 <para>
3092  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3093 </para>
3094 </listitem>
3095 <listitem>
3096
3097 <para>
3098  <function>++</function>
3099 </para>
3100 </listitem>
3101
3102 <listitem>
3103 <para>
3104  <function>map</function>
3105 </para>
3106 </listitem>
3107
3108 <listitem>
3109 <para>
3110  <function>filter</function>
3111 </para>
3112 </listitem>
3113 <listitem>
3114
3115 <para>
3116  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3117 </para>
3118 </listitem>
3119 <listitem>
3120
3121 <para>
3122  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3123 </para>
3124 </listitem>
3125
3126 </itemizedlist>
3127
3128 </para>
3129
3130 <para>
3131 The following are good consumers:
3132
3133 <itemizedlist>
3134 <listitem>
3135
3136 <para>
3137  List comprehensions
3138 </para>
3139 </listitem>
3140 <listitem>
3141
3142 <para>
3143  <function>array</function> (on its second argument)
3144 </para>
3145 </listitem>
3146 <listitem>
3147
3148 <para>
3149  <function>length</function>
3150 </para>
3151 </listitem>
3152 <listitem>
3153
3154 <para>
3155  <function>++</function> (on its first argument)
3156 </para>
3157 </listitem>
3158
3159 <listitem>
3160 <para>
3161  <function>foldr</function>
3162 </para>
3163 </listitem>
3164
3165 <listitem>
3166 <para>
3167  <function>map</function>
3168 </para>
3169 </listitem>
3170 <listitem>
3171
3172 <para>
3173  <function>filter</function>
3174 </para>
3175 </listitem>
3176 <listitem>
3177
3178 <para>
3179  <function>concat</function>
3180 </para>
3181 </listitem>
3182 <listitem>
3183
3184 <para>
3185  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3186 </para>
3187 </listitem>
3188 <listitem>
3189
3190 <para>
3191  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3192 will fuse with one but not the other)
3193 </para>
3194 </listitem>
3195 <listitem>
3196
3197 <para>
3198  <function>partition</function>
3199 </para>
3200 </listitem>
3201 <listitem>
3202
3203 <para>
3204  <function>head</function>
3205 </para>
3206 </listitem>
3207 <listitem>
3208
3209 <para>
3210  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3211 </para>
3212 </listitem>
3213 <listitem>
3214
3215 <para>
3216  <function>sequence&lowbar;</function>
3217 </para>
3218 </listitem>
3219 <listitem>
3220
3221 <para>
3222  <function>msum</function>
3223 </para>
3224 </listitem>
3225 <listitem>
3226
3227 <para>
3228  <function>sortBy</function>
3229 </para>
3230 </listitem>
3231
3232 </itemizedlist>
3233
3234 </para>
3235
3236 <para>
3237 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3238
3239 <programlisting>
3240 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3241 </programlisting>
3242
3243 </para>
3244
3245 <para>
3246 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3247 a lot which are not included, please tell us.
3248 </para>
3249
3250 <para>
3251 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3252 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3253 </para>
3254
3255 </sect2>
3256
3257 <sect2 id="rule-spec">
3258 <title>Specialisation
3259 </title>
3260
3261 <para>
3262 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3263 present in earlier version of GHC:
3264
3265 <programlisting>
3266   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3267 </programlisting>
3268
3269 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3270 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3271 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3272 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3273 </para>
3274
3275 <para>
3276 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3277 same thing:
3278
3279 <programlisting>
3280 {-# RULES
3281   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3282 #-}
3283 </programlisting>
3284
3285 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3286 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3287 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3288
3289 <programlisting>
3290 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3291         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3292 </programlisting>
3293
3294 What is more,
3295 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3296 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3297 have an original definition available to specialise).
3298 </para>
3299
3300 </sect2>
3301
3302 <sect2>
3303 <title>Controlling what's going on</title>
3304
3305 <para>
3306
3307 <itemizedlist>
3308 <listitem>
3309
3310 <para>
3311  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3312 </para>
3313 </listitem>
3314 <listitem>
3315
3316 <para>
3317  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3318 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3319 </para>
3320 </listitem>
3321 <listitem>
3322
3323 <para>
3324  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3325
3326 <programlisting>
3327         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3328         {-# INLINE build #-}
3329         build g = g (:) []
3330 </programlisting>
3331
3332 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3333 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3334 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3335 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3336
3337 </para>
3338 </listitem>
3339 <listitem>
3340
3341 <para>
3342  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3343 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3344 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3345 </para>
3346 </listitem>
3347
3348 </itemizedlist>
3349
3350 </para>
3351
3352 </sect2>
3353
3354 </sect1>
3355
3356 <sect1 id="generic-classes">
3357 <title>Generic classes</title>
3358
3359     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3360     GHC 5.02).</para>
3361
3362 <para>
3363 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3364 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3365 An example will give the idea:
3366 </para>
3367
3368 <programlisting>
3369   import Generics
3370
3371   class Bin a where
3372     toBin   :: a -> [Int]
3373     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3374   
3375     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3376     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3377     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3378     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3379   
3380     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3381     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3382     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3383     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3384                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3385 </programlisting>
3386 <para>
3387 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3388 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3389 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3390 </para>
3391 <programlisting>
3392   data Unit    = Unit
3393   data a :+: b = Inl a | Inr b
3394   data a :*: b = a :*: b
3395 </programlisting>
3396 <para>
3397 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3398 <programlisting>
3399   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3400   instance Bin a => Bin [a]
3401 </programlisting>
3402 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3403 where clause and over-ride whichever methods you please.
3404 </para>
3405
3406     <sect2>
3407       <title> Using generics </title>
3408       <para>To use generics you need to</para>
3409       <itemizedlist>
3410         <listitem>
3411           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3412                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3413                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3414                 available.  </para>
3415         </listitem>
3416         <listitem>
3417           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3418           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3419           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3420           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3421           don't need this import if you don't mention these types
3422           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3423           declarations.)</para>
3424         </listitem>
3425       </itemizedlist>
3426     </sect2>
3427
3428 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3429 <para>
3430 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3431 can be written infix (indeed, you can now use
3432 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3433 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3434 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3435 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3436 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3437 anticipate wanting).
3438 </para>
3439 </sect2>
3440
3441 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3442 <para>
3443 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3444 is one that is defined using type patterns as above.
3445 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3446 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3447 generic default method.
3448 </para>
3449
3450 <para>
3451 Restrictions:
3452 <itemizedlist>
3453 <listitem>
3454 <para>
3455 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3456 field labels.
3457 </para>
3458 </listitem>
3459
3460 <listitem>
3461 <para>
3462 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3463 multi-parameter class.
3464 </para>
3465 </listitem>
3466
3467 <listitem>
3468 <para>
3469 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3470 without.  So this is illegal:
3471 <programlisting>
3472   class Foo a where
3473     op :: a -> (a, Bool)
3474     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3475     op x               = (x,    False)
3476 </programlisting>
3477 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3478 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3479 </para>
3480 </listitem>
3481
3482 <listitem>
3483 <para>
3484 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3485 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:
3486 <programlisting>
3487   class Foo a where
3488     op :: a -> Bool
3489     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3490     ...
3491 </programlisting>
3492 </para>
3493 </listitem>
3494
3495 <listitem>
3496 <para>
3497 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3498 <programlisting>
3499        a :+: b
3500        a :*: b
3501        Unit
3502 </programlisting>
3503 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3504 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3505 must use the same type variables.  So this is illegal:
3506 <programlisting>
3507   class Foo a where
3508     op :: a -> Bool
3509     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3510     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3511 </programlisting>
3512 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3513 So this too is illegal:
3514 <programlisting>
3515   class Foo a where
3516     op1 :: a -> Bool
3517     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3518
3519     op2 :: a -> Bool
3520     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3521 </programlisting>
3522 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3523 into a single generic instance declaration.)
3524 </para>
3525 </listitem>
3526
3527 <listitem>
3528 <para>
3529 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3530 </para>
3531 </listitem>
3532
3533 <listitem>
3534 <para>
3535 The type for a generic method can be built only from:
3536   <itemizedlist>
3537   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3538   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3539   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3540   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3541   </itemizedlist>
3542 Here are some example type signatures for generic methods:
3543 <programlisting>
3544     op1 :: a -> Bool
3545     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3546     op3 :: [Int] -> a -> a
3547     op4 :: [a] -> Bool
3548 </programlisting>
3549 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3550 inside a list.  
3551 </para>
3552 <para>
3553 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3554 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3555 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3556 to the ones that are allowed.</para>
3557 </listitem>
3558
3559 <listitem>
3560 <para>
3561 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3562 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3563 do so if
3564   <itemizedlist>
3565   <listitem>
3566   <para>
3567   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3568   </para>
3569   </listitem>
3570   <listitem>
3571   <para>
3572   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3573   </para>
3574   </listitem>
3575   </itemizedlist>
3576 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3577 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3578 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3579 </para>
3580 </listitem>
3581
3582 </itemizedlist>
3583 </para>
3584
3585 <para>
3586 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3587 what the compiler does with generic declarations.
3588 </para>
3589
3590 </sect2>
3591
3592 <sect2> <title> Another example </title>
3593 <para>
3594 Just to finish with, here's another example I rather like:
3595 <programlisting>
3596   class Tag a where
3597     nCons :: a -> Int
3598     nCons {| Unit |}    _ = 1
3599     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3600     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3601   
3602     tag :: a -> Int
3603     tag {| Unit |}    _       = 1
3604     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3605     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3606     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3607 </programlisting>
3608 </para>
3609 </sect2>
3610 </sect1>
3611
3612 <sect1 id="newtype-deriving">
3613 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3614
3615 <para>
3616 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3617 the new type to inherit some instances from its representation. In
3618 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3619 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3620 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3621 example, if you define
3622
3623 <programlisting> 
3624   newtype Dollars = Dollars Int 
3625 </programlisting> 
3626
3627 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3628 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3629
3630 <programlisting> 
3631   instance Num Dollars where
3632     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3633     ...
3634 </programlisting>
3635 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3636 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3637 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3638 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3639 dictionary, only slower!
3640 </para>
3641
3642 <sect2> <title> Generalising the deriving clause </title>
3643 <para>
3644 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3645 <programlisting> 
3646   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3647 </programlisting> 
3648
3649 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3650 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3651 derives an instance declaration of the form
3652
3653 <programlisting> 
3654   instance Num Int => Num Dollars
3655 </programlisting> 
3656
3657 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3658 </para>
3659 <para>
3660
3661 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3662 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3663 transformers, such that
3664
3665 <programlisting> 
3666   instance Monad m => Monad (State s m) 
3667   instance Monad m => Monad (Failure m)
3668 </programlisting> 
3669 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3670 <programlisting> 
3671   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3672 </programlisting> 
3673
3674 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3675 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3676 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3677
3678 <programlisting> 
3679   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3680                          deriving Monad
3681 </programlisting>
3682 In this case the derived instance declaration is of the form 
3683 <programlisting> 
3684   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3685 </programlisting> 
3686
3687 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3688 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3689 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3690 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3691 declaration.
3692 </para>
3693 <para>
3694
3695 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3696 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3697 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3698 clause. For example, given the class
3699
3700 <programlisting> 
3701   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3702   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3703 </programlisting> 
3704 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3705 <programlisting> 
3706   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3707                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3708 </programlisting>
3709
3710 The derived instance is obtained by completing the application of the
3711 class to the new type:
3712
3713 <programlisting> 
3714   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3715            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3716 </programlisting>
3717 </para>
3718 <para>
3719
3720 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3721 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3722 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3723 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3724 the newtype and its representation.
3725 </para>
3726 </sect2>
3727
3728 <sect2> <title> A more precise specification </title>
3729 <para>
3730 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3731 declaration (after expansion of any type synonyms)
3732
3733 <programlisting> 
3734   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3735 </programlisting> 
3736
3737 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3738 types,
3739 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3740 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3741 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3742 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3743
3744 <programlisting> 
3745   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3746 </programlisting>
3747 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3748 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3749 </para>
3750 <para>
3751
3752 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3753 <programlisting> 
3754   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3755 </programlisting> 
3756 Here we cannot derive the instance 
3757 <programlisting> 
3758   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3759 </programlisting> 
3760
3761 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3762 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3763 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3764 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3765 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3766 </para>
3767 <para>
3768
3769 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3770 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3771 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3772
3773 <programlisting> 
3774   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3775 </programlisting>
3776
3777 then we would not have been able to derive an instance for the
3778 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3779 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3780 instances is most interesting.
3781 </para>
3782 </sect2>
3783 </sect1>
3784
3785
3786
3787 <!-- Emacs stuff:
3788      ;;; Local Variables: ***
3789      ;;; mode: sgml ***
3790      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3791      ;;; End: ***
3792  -->