[project @ 2002-10-12 18:16:11 by erkok]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
23 separate libraries documentation describes all the libraries that come
24 with GHC.
25 </para>
26
27 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
28   <sect1 id="options-language">
29     <title>Language options</title>
30
31     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
32     </indexterm>
33     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
36     </indexterm>
37
38     <para> These flags control what variation of the language are
39     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
40     98.</para>
41
42     <variablelist>
43
44       <varlistentry>
45         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
46         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
47         <listitem>
48           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
49           Haskell 98 described in <xref
50           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
51           noted. </para>
52         </listitem>
53       </varlistentry>
54
55       <varlistentry>
56         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
57         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
58         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
59         <listitem>
60           <para>This option enables the language extension defined in the
61           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
62           syntax of previous versions of the FFI for backwards
63           compatibility.</para> 
64         </listitem>
65       </varlistentry>
66
67       <varlistentry>
68         <term><option>-fwith</option>:</term>
69         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
70         <listitem>
71           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
72           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
73           compatibility.
74           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
75           flag. </para>
76         </listitem>
77       </varlistentry>
78
79       <varlistentry>
80         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
81         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
82         <listitem>
83           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
84           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
85           flag. </para>
86         </listitem>
87       </varlistentry>
88
89       <varlistentry>
90         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
92         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
93         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
96         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
97         <listitem>
98           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
99           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
100         </listitem>
101       </varlistentry>
102
103       <varlistentry>
104         <term><option>-finline-phase</option></term>
105         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
106         <listitem>
107           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
108           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
109         </listitem>
110       </varlistentry>
111
112       <varlistentry>
113         <term><option>-fgenerics</option></term>
114         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
115         <listitem>
116           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
117           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
118         </listitem>
119       </varlistentry>
120
121         <varlistentry>
122           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
123           <listitem>
124             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
125             option</primary></indexterm> GHC normally imports
126             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
127             rather it didn't, then give it a
128             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
129             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
130             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
131             module namespace is flat, and you must not conflict with
132             any Prelude module.)</para>
133
134             <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
135             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
136             Prelude types and values, as specified by the Haskell
137             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
138             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
139             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
140             translation for list comprehensions continues to use
141             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
142
143             <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
144             change the handling of certain built-in syntax: see
145             <xref LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
146
147           </listitem>
148         </varlistentry>
149
150     </variablelist>
151   </sect1>
152
153 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
154 <!--    included from primitives.sgml  -->
155 &primitives;
156
157 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
158
159 <sect1 id="syntax-extns">
160 <title>Syntactic extensions</title>
161  
162     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
163
164     <sect2 id="hierarchical-modules">
165       <title>Hierarchical Modules</title>
166
167       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
168       names: a module name is allowed to contain a dot
169       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
170       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
171       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
172       more flexible hierarchy of modules.</para>
173
174       <para>This extension has very little impact on the language
175       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
176       qualified, so you can just think of the fully qualified module
177       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
178       means that the full module name must be given after the
179       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
180       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
181       begin</para>
182
183 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
184
185
186       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
187       keyword to save some typing when using qualified names with
188       hierarchical modules.  For example:</para>
189
190 <programlisting>
191 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
192 </programlisting>
193
194       <para>Hierarchical modules have an impact on the way that GHC
195       searches for files.  For a description, see <xref
196       linkend="finding-hierarchical-modules">.</para>
197
198       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
199       hierarchically; see the accompanying library documentation.
200       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
201       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
202       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
203       current status of that project.  For more details, see <ulink
204       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
205       Libraries</ulink>.</para>
206
207     </sect2>
208
209     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
210
211 <sect2 id="pattern-guards">
212 <title>Pattern guards</title>
213
214 <para>
215 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
216 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.)
217 </para>
218
219 <para>
220 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
221 lookup operation:
222
223 <programlisting>
224 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
225 </programlisting>
226
227 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
228 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
229 </para>
230
231 <programlisting>
232 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
233 | otherwise  = var1 + var2
234 where
235   m1 = lookup env var1
236   m2 = lookup env var2
237   ok1 = maybeToBool m1
238   ok2 = maybeToBool m2
239   val1 = expectJust m1
240   val2 = expectJust m2
241 </programlisting>
242
243 <para>
244 The auxiliary functions are 
245 </para>
246
247 <programlisting>
248 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
249 maybeToBool (Just x) = True
250 maybeToBool Nothing  = False
251
252 expectJust :: Maybe a -&gt; a
253 expectJust (Just x) = x
254 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
255 </programlisting>
256
257 <para>
258 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
259 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
260 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
261 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
262 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
263 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
264 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
265 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
266 </para>
267
268 <para>
269 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
270 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
271 to write clunky would be to use case expressions:
272 </para>
273
274 <programlisting>
275 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
276   Nothing -&gt; fail
277   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
278     Nothing -&gt; fail
279     Just val2 -&gt; val1 + val2
280 where
281   fail = val1 + val2
282 </programlisting>
283
284 <para>
285 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
286 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
287 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
288 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
289 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
290 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
291 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
292 tends to become more and more indented. 
293 </para>
294
295 <para>
296 Here is how I would write clunky:
297 </para>
298
299 <programlisting>
300 clunky env var1 var1
301   | Just val1 &lt;- lookup env var1
302   , Just val2 &lt;- lookup env var2
303   = val1 + val2
304 ...other equations for clunky...
305 </programlisting>
306
307 <para>
308 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
309 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
310 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
311 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
312 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
313 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
314 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
315 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
316 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
317 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
318 </para>
319
320 <para>
321 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
322 with among the pattern guards.  For example:
323 </para>
324
325 <programlisting>
326 f x | [y] <- x
327     , y > 3
328     , Just z <- h y
329     = ...
330 </programlisting>
331
332 <para>
333 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
334 qualifier list has just one element, a boolean expression.
335 </para>
336 </sect2>
337
338     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
339
340 <sect2 id="mdo-notation">
341 <title>The recursive do-notation
342 </title>
343
344 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
345 "A recursive do for Haskell",
346 Levent Erkok, John Launchbury",
347 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
348 </para>
349 <para>
350 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
351 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
352 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
353 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
354 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
355 </para>
356 <para>
357 Here is a simple (yet contrived) example:
358 </para>
359 <programlisting>
360 import Control.Monad.Fix
361
362 justOnes = mdo xs <- Just (1:xs)
363                return xs
364 </programlisting>
365 <para>
366 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
367 </para>
368
369 <para>
370 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
371 </para>
372 <programlisting>
373 class Monad m => MonadFix m where
374    mfix :: (a -> m a) -> m a
375 </programlisting>
376 <para>
377 The function <literal>mfix</literal>
378 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
379 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
380 For details, see the above mentioned reference.
381 </para>
382 <para>
383 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
384 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
385 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
386 </para>
387 <para>
388 There are three important points in using the recursive-do notation:
389 <itemizedlist>
390 <listitem><para>
391 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
392 than <literal>do</literal>).
393 </para></listitem>
394
395 <listitem><para>
396 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
397 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
398 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
399 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
400 </para></listitem>
401
402 <listitem><para>
403 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
404 </para></listitem>
405 </itemizedlist>
406 </para>
407
408 <para>
409 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
410 contains up to date information on recursive monadic bindings.
411 </para>
412
413 <para>
414 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
415 of the existing documents) used the name
416 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
417 This name is not supported by GHC.
418 </para>
419
420 </sect2>
421
422
423 <sect2> <title> Infix type constructors </title>
424
425 <para>GHC supports infix type constructors, much as it supports infix data constructors.  For example:
426 <programlisting>
427   infixl 5 :+:
428
429   data a :+: b = Inl a | Inr b
430
431   f :: a `Either` b -> a :+: b
432   f (Left x) = Inl x
433 </programlisting>
434 </para>
435 <para>The lexical 
436 syntax of an infix type constructor is just like that of an infix data constructor: either
437 it's an operator beginning with ":", or it is an ordinary (alphabetic) type constructor enclosed in
438 back-quotes.</para>
439
440 <para>
441 When you give a fixity declaration, the fixity applies to both the data constructor and the
442 type constructor with the specified name.  You cannot give different fixities to the type constructor T
443 and the data constructor T.
444 </para>
445
446
447 </sect2>
448
449    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
450
451   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
452     <title>Parallel List Comprehensions</title>
453     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
454     </indexterm>
455     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
456     </indexterm>
457
458     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
459     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
460     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
461     extend this to include the zipWith family.</para>
462
463     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
464     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
465     example, the following zips together two lists:</para>
466
467 <programlisting>
468    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
469 </programlisting>
470
471     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
472     zip, in that the resulting list will have the same length as the
473     shortest branch.</para>
474
475     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
476     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
477
478     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
479
480 <programlisting>
481    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
482        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
483        ... 
484    ] 
485 </programlisting>
486
487     <para>This will be translated to: </para>
488
489 <programlisting>
490    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
491                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
492                                          ... 
493    ] 
494 </programlisting>
495
496     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
497     branches.</para>
498
499   </sect2>
500
501 <sect2 id="rebindable-syntax">
502 <title>Rebindable syntax</title>
503
504
505       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
506       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
507       with a home-grown version, for example.</para>
508
509             <para>You may want to define your own numeric class
510             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
511             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
512             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
513             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
514             the following pieces of built-in syntax to refer to
515             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
516             versions:</para>
517
518             <itemizedlist>
519               <listitem>
520                 <para>Integer and fractional literals mean
521                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
522                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
523                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
524                 patterns. </para>
525                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
526                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
527               </listitem>
528
529               <listitem>
530                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
531                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
532                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
533               </listitem>
534
535               <listitem>
536                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
537                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
538                 but the necessary subtraction uses whatever
539                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
540                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
541               </listitem>
542
543               <listitem>
544           <para>"Do" notation is translated using whatever
545               functions <literal>(>>=)</literal>,
546               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
547               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
548               versions).  List comprehensions, and parallel array
549               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
550             </itemizedlist>
551
552              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
553              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
554              must have the appropriate types, namely:
555              <screen>
556                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
557                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
558                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
559                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
560                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
561                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
562                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
563                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
564              </screen>
565              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
566              is up to you.)
567              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
568              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
569              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
570
571 </sect2>
572 </sect1>
573
574
575 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
576 <sect1 id="type-extensions">
577 <title>Type system extensions</title>
578
579 <sect2 id="nullary-types">
580 <title>Data types with no constructors</title>
581
582 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
583 a data type with no constructors.  For example:</para>
584
585 <programlisting>
586   data S      -- S :: *
587   data T a    -- T :: * -> *
588 </programlisting>
589
590 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
591 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
592 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
593 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
594
595 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
596 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
597 </sect2>
598
599 <sect2 id="infix-tycons">
600 <title>Infix type constructors</title>
601
602 <para>
603 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
604 like expressions.  More specifically:
605 <itemizedlist>
606 <listitem><para>
607   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
608   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
609   </para></listitem>
610 <listitem><para>
611   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
612   </para></listitem>
613 <listitem><para>
614   Back-quotes work
615   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
616   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
617   </para></listitem>
618 <listitem><para>
619   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
620   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
621   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
622 <screen>
623   infixl 7 T, :*:
624 </screen>
625   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
626   and similarly for <literal>:*:</literal>.
627   <literal>Int `a` Bool</literal>.
628   </para></listitem>
629 <listitem><para>
630   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
631   </para></listitem>
632 <listitem><para>
633   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
634 <screen>
635   data a :*: b = Foo a b
636   type a :+: b = Either a b
637 </screen>
638   </para></listitem>
639 <listitem><para>
640   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
641   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
642   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
643   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
644   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
645   lists.  So for now we just exclude them.
646   </para></listitem>
647
648 </itemizedlist>
649 </para>
650 </sect2>
651
652 <sect2 id="sec-kinding">
653 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
654
655 <para>
656 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
657 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
658 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
659 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
660 John Hughes had to define the data type:
661 <Screen>
662      data Set cxt a = Set [a]
663                     | Unused (cxt a -> ())
664 </Screen>
665 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
666 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
667 </para>
668 <para>
669 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
670 a type variable is explicitly bound.  Namely:
671 <itemizedlist>
672 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
673 <Screen>
674   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
675 </Screen></para></listitem>
676 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
677 <Screen>
678   type T (f :: * -> *) = f Int
679 </Screen></para></listitem>
680 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
681 <Screen>
682   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
683 </Screen></para></listitem>
684 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
685 <Screen>
686   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
687 </Screen></para></listitem>
688 </itemizedlist>
689 </para>
690
691 <para>
692 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
693 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
694 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
695 single lexeme in Haskell.
696 </para>
697
698 <para>
699 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
700 as well.  Thus:
701 <Screen>
702    f :: (Int :: *) -> Int
703    g :: forall a. a -> (a :: *)
704 </Screen>
705 The syntax is
706 <Screen>
707    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
708 </Screen>
709 The parentheses are required.
710 </para>
711 </sect2>
712
713
714 <sect2 id="class-method-types">
715 <title>Class method types
716 </title>
717 <para>
718 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
719 class type variable, thus:
720 <programlisting>
721   class Seq s a where
722     fromList :: [a] -> s a
723     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
724 </programlisting>
725 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
726 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
727 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
728 </para>
729 <para>
730 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
731 </para>
732
733 </sect2>
734
735 <sect2 id="multi-param-type-classes">
736 <title>Multi-parameter type classes
737 </title>
738
739 <para>
740 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
741 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
742 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
743 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
744 Jones, Erik Meijer).
745 </para>
746
747 <para>
748 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
749 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
750 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
751 examples to support several generalisations.  (These appear below as
752 design choices not implemented in 3.02.)
753 </para>
754
755 <para>
756 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
757 will migrate towards the same design choices as I outline here.
758 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
759 feedback.
760 </para>
761
762 <sect3>
763 <title>Types</title>
764
765 <para>
766 There are the following restrictions on the form of a qualified
767 type:
768 </para>
769
770 <para>
771
772 <programlisting>
773   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
774 </programlisting>
775
776 </para>
777
778 <para>
779 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
780 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
781 explicit source-language type signature are universally quantified,
782 except for the class type variables in a class declaration.  However,
783 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
784 </para>
785
786 <para>
787
788 <OrderedList>
789 <listitem>
790
791 <para>
792  <emphasis>Each universally quantified type variable
793 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
794
795 The reason for this is that a value with a type that does not obey
796 this restriction could not be used without introducing
797 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
798
799
800 <programlisting>
801   forall a. Eq a => Int
802 </programlisting>
803
804
805 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
806 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
807 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
808 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
809 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
810 get any more information about <literal>tv</literal>.
811
812 </para>
813 </listitem>
814 <listitem>
815
816 <para>
817  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
818 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
819
820 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
821 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
822
823
824 <programlisting>
825   forall a. C a b => burble
826 </programlisting>
827
828
829 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
830 mention <literal>a</literal>:
831
832
833 <programlisting>
834   forall a. Eq b => burble
835 </programlisting>
836
837
838 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
839 excluded types are never useful or necessary (because the offending
840 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
841 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
842 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
843 territory free in case we need it later.
844
845 </para>
846 </listitem>
847
848 </OrderedList>
849
850 </para>
851
852 <para>
853 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
854 or inferred.
855 </para>
856
857 <para>
858 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
859 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
860 are perfectly OK
861 </para>
862
863 <para>
864
865 <programlisting>
866   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
867   g :: Eq [a] => ...
868 </programlisting>
869
870 </para>
871
872 <para>
873 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
874 </para>
875
876 </sect3>
877
878 <sect3>
879 <title>Class declarations</title>
880
881 <para>
882
883 <OrderedList>
884 <listitem>
885
886 <para>
887  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
888
889
890 <programlisting>
891   class Collection c a where
892     union :: c a -> c a -> c a
893     ...etc.
894 </programlisting>
895
896
897
898 </para>
899 </listitem>
900 <listitem>
901
902 <para>
903  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
904 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
905 this is OK:
906
907
908 <programlisting>
909   class C a where {
910     op :: D b => a -> b -> b
911   }
912
913   class C a => D a where { ... }
914 </programlisting>
915
916
917 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
918 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
919 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
920
921 </para>
922 </listitem>
923 <listitem>
924
925 <para>
926  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
927 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
928 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
929
930
931 <programlisting>
932   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
933     ...
934
935   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
936     lift :: m a -> (t m) a
937 </programlisting>
938
939
940 </para>
941 </listitem>
942 <listitem>
943
944 <para>
945  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
946 must mention at least one type variable that is not a class type
947 variable</emphasis>.
948
949 Thus:
950
951
952 <programlisting>
953   class Collection c a where
954     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
955 </programlisting>
956
957
958 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
959 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
960 <literal>a</literal>.  On the other hand:
961
962
963 <programlisting>
964   class C a where
965     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
966 </programlisting>
967
968
969 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
970 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
971 example is easily fixed by moving the offending context up to the
972 superclass context:
973
974
975 <programlisting>
976   class Eq a => C a where
977     op ::(a,b) -> (a,b)
978 </programlisting>
979
980
981 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
982 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
983 Rule 1(b) for types above.
984
985 </para>
986 </listitem>
987 <listitem>
988
989 <para>
990  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
991 the class type variables</emphasis>.  For example:
992
993
994 <programlisting>
995   class Coll s a where
996     empty  :: s
997     insert :: s -> a -> s
998 </programlisting>
999
1000
1001 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1002 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1003 types, and has the same motivation.
1004
1005 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1006 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1007
1008
1009 <programlisting>
1010   class Coll s a where
1011     empty  :: s a
1012     insert :: s a -> a -> s a
1013 </programlisting>
1014
1015
1016 which makes the connection between the type of a collection of
1017 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1018 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1019 class like this:
1020
1021
1022 <programlisting>
1023   class CollE s where
1024     empty  :: s
1025
1026   class CollE s => Coll s a where
1027     insert :: s -> a -> s
1028 </programlisting>
1029
1030
1031 </para>
1032 </listitem>
1033
1034 </OrderedList>
1035
1036 </para>
1037
1038 </sect3>
1039
1040 <sect3 id="instance-decls">
1041 <title>Instance declarations</title>
1042
1043 <para>
1044
1045 <OrderedList>
1046 <listitem>
1047
1048 <para>
1049  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
1050 declarations
1051
1052
1053 <programlisting>
1054   instance context1 => C type1 where ...
1055   instance context2 => C type2 where ...
1056 </programlisting>
1057
1058
1059 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
1060
1061 However, if you give the command line option
1062 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1063 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
1064 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
1065 if another instance declaration also applies, either now or later.
1066
1067 <itemizedlist>
1068 <listitem>
1069
1070 <para>
1071  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
1072 </para>
1073 </listitem>
1074 <listitem>
1075
1076 <para>
1077  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
1078 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
1079 </para>
1080 </listitem>
1081 </itemizedlist>
1082 Notice that these rules
1083 <itemizedlist>
1084 <listitem>
1085
1086 <para>
1087  make it clear which instance decl to use
1088 (pick the most specific one that matches)
1089
1090 </para>
1091 </listitem>
1092 <listitem>
1093
1094 <para>
1095  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1096 Reason: you can pick which instance decl
1097 "matches" based on the type.
1098 </para>
1099 </listitem>
1100
1101 </itemizedlist>
1102 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
1103 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1104 <programlisting>
1105   instance C (Int,a) where ...
1106   instance C (a,Bool) where ...
1107 </programlisting>
1108 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1109 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1110 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1111 </para>
1112 <para>
1113 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1114 <programlisting>
1115   class C a where { op :: a -> a }
1116   instance C [Int] where ...
1117   instance C a => C [a] where ...
1118   
1119   f :: C b => [b] -> [b]
1120   f x = op x
1121 </programlisting>
1122 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1123 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1124 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1125 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1126 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1127 the problem of subsequent instantiations.
1128 </para>
1129 <para>
1130 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1131 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1132 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1133 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1134 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1135 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1136 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1137 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1138
1139 </para>
1140 </listitem>
1141 <listitem>
1142
1143 <para>
1144  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1145 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1146 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1147 example, these are OK:
1148
1149
1150 <programlisting>
1151   instance C Int a where ...
1152
1153   instance D (Int, Int) where ...
1154
1155   instance E [[a]] where ...
1156 </programlisting>
1157
1158
1159 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1160 For example, this is OK:
1161
1162
1163 <programlisting>
1164   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1165 </programlisting>
1166
1167
1168 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1169 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1170 constructor.  For example, the following would make the type checker
1171 loop if it wasn't excluded:
1172
1173
1174 <programlisting>
1175   instance C a => C a where ...
1176 </programlisting>
1177
1178
1179 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1180 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1181 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1182 something more specific does not:
1183
1184
1185 <programlisting>
1186   instance C a where
1187     op = ... -- Default
1188 </programlisting>
1189
1190
1191 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1192 effect of a "class synonym":
1193
1194
1195 <programlisting>
1196   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1197
1198   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1199 </programlisting>
1200
1201
1202 This allows you to write shorter signatures:
1203
1204
1205 <programlisting>
1206   f :: C a => ...
1207 </programlisting>
1208
1209
1210 instead of
1211
1212
1213 <programlisting>
1214   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1215 </programlisting>
1216
1217
1218 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1219 allowing these idioms.  The experimental flag
1220 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1221 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1222 instance head to be type variables.
1223
1224 </para>
1225 </listitem>
1226 <listitem>
1227
1228 <para>
1229  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1230 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1231 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1232
1233
1234 <programlisting>
1235   type Point = (Int,Int)
1236   instance C Point   where ...
1237   instance C [Point] where ...
1238 </programlisting>
1239
1240
1241 is legal.  However, if you added
1242
1243
1244 <programlisting>
1245   instance C (Int,Int) where ...
1246 </programlisting>
1247
1248
1249 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1250 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1251 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1252
1253
1254 <programlisting>
1255   type P a = [[a]]
1256   instance Monad P where ...
1257 </programlisting>
1258
1259
1260 This design decision is independent of all the others, and easily
1261 reversed, but it makes sense to me.
1262
1263 </para>
1264 </listitem>
1265 <listitem>
1266
1267 <para>
1268 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1269 be type variables</emphasis>. Thus
1270
1271
1272 <programlisting>
1273 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1274 </programlisting>
1275
1276
1277 is OK, but
1278
1279
1280 <programlisting>
1281 instance C Int b => Foo b where ...
1282 </programlisting>
1283
1284
1285 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1286 reduction terminates.
1287
1288 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1289 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1290 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1291 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1292 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1293 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1294 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1295
1296 </para>
1297 </listitem>
1298
1299 </OrderedList>
1300
1301 </para>
1302
1303 </sect3>
1304
1305 </sect2>
1306
1307 <sect2 id="implicit-parameters">
1308 <title>Implicit parameters
1309 </title>
1310
1311 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1312 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1313 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1314 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1315 Boston, Jan 2000.
1316 </para>
1317 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
1318 <para>
1319 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1320 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1321 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1322 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1323 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1324 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1325 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1326 only support static scoping of variables.
1327 </para>
1328 <para>
1329 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1330 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1331 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1332 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1333 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1334 of type <literal>t'</literal>". For
1335 example, the following expresses the type of a sort function,
1336 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1337 <programlisting>
1338   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1339 </programlisting>
1340 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1341 </para>
1342 <para>
1343 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
1344 where <literal>x</literal> is
1345 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
1346 dynamic binding constraints. For example, the following definition
1347 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1348 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1349 <programlisting>
1350   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1351
1352   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1353   sort    = sortBy ?cmp
1354 </programlisting>
1355 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1356 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1357 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1358 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1359 to pick out the least value in a list:
1360 <programlisting>
1361   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1362   least xs = fst (sort xs)
1363 </programlisting>
1364 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1365 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1366 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1367 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1368 propagate them.
1369 </para>
1370 <para>
1371 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
1372 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1373 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1374 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1375 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1376 class constraints.
1377 </para>
1378 <para>
1379 An implicit parameter is bound using the standard
1380 <literal>let</literal> binding form, where the bindings must be a
1381 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
1382 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
1383 neither polymorphic or recursive. This form binds the implicit
1384 parameters arising in the body, not the free variables as a
1385 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> would do. For
1386 example, we define the <literal>min</literal> function by binding
1387 <literal>cmp</literal>.</para>
1388 <programlisting>
1389   min :: [a] -> a
1390   min  = let ?cmp = (<=) in least
1391 </programlisting>
1392 <para>
1393 Note the following points:
1394 <itemizedlist>
1395 <listitem><para>
1396 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
1397 single <literal>let</literal>
1398 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
1399 </para></listitem>
1400
1401 <listitem><para>
1402 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
1403 single <literal>let</literal> expression; they are <emphasis>not</emphasis> treated
1404 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
1405 Instead they are treated as a non-recursive group, each scoping over the bindings that
1406 follow.  For example, consider:
1407 <programlisting>
1408   f y = let { ?x = y; ?x = ?x+1 } in ?x
1409 </programlisting>
1410 This function adds one to its argument.
1411 </para></listitem>
1412
1413 <listitem><para>
1414 You may not have an implicit-parameter binding in a <literal>where</literal> clause,
1415 only in a <literal>let</literal> binding.
1416 </para></listitem>
1417
1418 <listitem>
1419 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1420 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1421 <programlisting>
1422   class (?x::Int) => C a where ...
1423   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1424 </programlisting>
1425 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1426 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1427 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1428 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1429 </listitem>
1430 </itemizedlist>
1431 </para>
1432
1433 </sect2>
1434
1435 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
1436 <title>Linear implicit parameters
1437 </title>
1438 <para>
1439 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1440 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1441 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1442 </para>
1443 <itemizedlist>
1444 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1445 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1446 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1447 </itemizedlist>
1448
1449 <para>
1450 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1451 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1452 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1453 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1454 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1455 </para>
1456 <para>
1457 For example:
1458 <programlisting>
1459     import GHC.Exts( Splittable )
1460
1461     data NameSupply = ...
1462     
1463     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1464     newName :: NameSupply -> Name
1465
1466     instance Splittable NameSupply where
1467         split = splitNS
1468
1469
1470     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1471     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1472                     where
1473                       x'   = newName %ns
1474                       env' = extend env x x'
1475     ...more equations for f...
1476 </programlisting>
1477 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1478 <itemizedlist>
1479 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1480 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1481 </itemizedlist>
1482 </para>
1483 <para>
1484 So the translation done by the type checker makes
1485 the parameter explicit:
1486 <programlisting>
1487     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1488     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1489                        where
1490                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1491                          x' = newName ns2
1492                          env = extend env x x'
1493 </programlisting>
1494 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1495 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1496 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1497 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
1498 <programlisting>
1499         class Splittable a where
1500           split :: a -> (a,a)
1501 </programlisting>
1502 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1503 split for name supplies.  But we can simply write
1504 <programlisting>
1505         g x = (x, %ns, %ns)
1506 </programlisting>
1507 and GHC will infer
1508 <programlisting>
1509         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1510 </programlisting>
1511 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1512 <literal>GHC.Exts</literal>.
1513 </para>
1514 <para>
1515 Other points:
1516 <itemizedlist>
1517 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1518 are entirely distinct implicit parameters: you 
1519   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1520 </listitem>
1521
1522 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1523
1524 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1525   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1526 </itemizedlist>
1527 </para>
1528
1529 <sect3><title>Warnings</title>
1530
1531 <para>
1532 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1533 Consider the example above:
1534 <programlisting>
1535     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1536     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1537                     where
1538                       x'   = newName %ns
1539                       env' = extend env x x'
1540 </programlisting>
1541 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1542 usually a harmless thing to do, we get:
1543 <programlisting>
1544     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1545     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1546                     where
1547                       env' = extend env x (newName %ns)
1548 </programlisting>
1549 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1550 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1551 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1552 the beta rule.
1553 </para>
1554 <para>
1555 Well, this is an experimental change.  With implicit
1556 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1557 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1558 Haskell programs without knowing their typing.
1559 </para>
1560
1561 </sect3>
1562
1563 <sect3><title>Recursive functions</title>
1564 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
1565 Consider
1566 <programlisting>
1567         foo :: %x::T => Int -> [Int]
1568         foo 0 = []
1569         foo n = %x : foo (n-1)
1570 </programlisting>
1571 where T is some type in class Splittable.</para>
1572 <para>
1573 Do you get a list of all the same T's or all different T's
1574 (assuming that split gives two distinct T's back)?
1575 </para><para>
1576 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
1577 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
1578 translated term, where the implicit param is made explicit:
1579 <programlisting>
1580         foo x 0 = []
1581         foo x n = let (x1,x2) = split x
1582                   in x1 : foo x2 (n-1)
1583 </programlisting>
1584 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
1585 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
1586 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
1587 work.  So the translation becomes
1588 <programlisting>
1589         foo x = let
1590                   foom 0 = []
1591                   foom n = x : foom (n-1)
1592                 in
1593                 foom
1594 </programlisting>
1595 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
1596 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
1597 Yikes!
1598 </para><para>
1599 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
1600 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
1601 </para>
1602 </sect3>
1603
1604 </sect2>
1605
1606 <sect2 id="functional-dependencies">
1607 <title>Functional dependencies
1608 </title>
1609
1610 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1611 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1612 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1613 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1614 .
1615 </para>
1616
1617 <para>
1618 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1619 </para>
1620 </sect2>
1621
1622
1623 <sect2 id="universal-quantification">
1624 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1625 </title>
1626
1627 <para>
1628 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1629 allows us to say exactly what this means.  For example:
1630 </para>
1631 <para>
1632 <programlisting>
1633         g :: b -> b
1634 </programlisting>
1635 means this:
1636 <programlisting>
1637         g :: forall b. (b -> b)
1638 </programlisting>
1639 The two are treated identically.
1640 </para>
1641
1642 <para>
1643 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1644 explicit universal quantification in
1645 types. 
1646 For example, all the following types are legal:
1647 <programlisting>
1648     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1649     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1650
1651     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1652     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1653
1654     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1655 </programlisting>
1656 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1657 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1658 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1659 is implicitly added by Haskell.
1660 </para>
1661 <para>
1662 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1663 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1664 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1665 </para>
1666 <para>
1667 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1668 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1669 </para>
1670 <para>
1671 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1672 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1673 that restriction has now been lifted.)
1674 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1675 including an operational type class context, is legal:
1676 <itemizedlist>
1677 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1678 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1679 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1680 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1681 field type signatures.</para> </listitem>
1682 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1683 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1684 </itemizedlist>
1685 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1686 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1687 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1688 <programlisting>
1689     x1 :: [forall a. a->a]
1690     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1691     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1692 </programlisting>
1693 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1694 a type variable any more!
1695 </para>
1696
1697
1698 <sect3 id="univ">
1699 <title>Examples
1700 </title>
1701
1702 <para>
1703 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1704 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1705 </para>
1706
1707 <para>
1708
1709 <programlisting>
1710 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1711
1712 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1713                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1714                         }
1715
1716 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1717 </programlisting>
1718
1719 </para>
1720
1721 <para>
1722 The constructors have rank-2 types:
1723 </para>
1724
1725 <para>
1726
1727 <programlisting>
1728 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1729 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1730                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1731                   -> MonadT m
1732 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1733 </programlisting>
1734
1735 </para>
1736
1737 <para>
1738 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1739 explicit context.  For example in the first argument of the
1740 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1741 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1742 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1743 mentioned in the type quantified over.
1744 </para>
1745
1746 <para>
1747 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1748 types too.  So if you write this:
1749
1750 <programlisting>
1751   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1752 </programlisting>
1753
1754 it's just as if you had written this:
1755
1756 <programlisting>
1757   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1758 </programlisting>
1759
1760 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1761 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1762 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1763 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1764 </para>
1765
1766 <para>
1767 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1768 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1769 </para>
1770
1771 <para>
1772
1773 <programlisting>
1774     a1 :: T Int
1775     a1 = T1 (\xy->x) 3
1776     
1777     a2, a3 :: Swizzle
1778     a2 = MkSwizzle sort
1779     a3 = MkSwizzle reverse
1780     
1781     a4 :: MonadT Maybe
1782     a4 = let r x = Just x
1783              b m k = case m of
1784                        Just y -> k y
1785                        Nothing -> Nothing
1786          in
1787          MkMonad r b
1788
1789     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1790     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1791 </programlisting>
1792
1793 </para>
1794
1795 <para>
1796 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1797 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1798 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1799 </para>
1800
1801 <para>
1802 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1803 polymorphic types.  For example:
1804 </para>
1805
1806 <para>
1807
1808 <programlisting>
1809     f :: T a -> a -> (a, Char)
1810     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1811
1812     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1813     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1814
1815     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1816     h m [] = return m []
1817     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1818                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1819                  return m (y:ys)
1820 </programlisting>
1821
1822 </para>
1823
1824 <para>
1825 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1826 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1827 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1828 matching.
1829 </para>
1830 </sect3>
1831
1832 <sect3>
1833 <title>Type inference</title>
1834
1835 <para>
1836 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1837 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1838 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1839 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1840 </para>
1841 <para>
1842 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1843 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1844 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1845 </para>
1846 <para>
1847 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1848 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1849 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1850 <programlisting>
1851      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1852 </programlisting>
1853 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1854 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1855 <programlisting>
1856      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1857 </programlisting>
1858 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1859 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1860 one can give a type signature for the function itself:
1861 <programlisting>
1862      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1863      h f = (f True, f 'c')
1864 </programlisting>
1865 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1866 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1867 <programlisting>
1868     f :: T a -> a -> (a, Char)
1869     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1870 </programlisting>
1871 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1872 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1873 it needs to know.
1874 </para>
1875
1876 </sect3>
1877
1878
1879 <sect3 id="implicit-quant">
1880 <title>Implicit quantification</title>
1881
1882 <para>
1883 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1884 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1885 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1886 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1887 equivalent:
1888 <programlisting>
1889   f :: a -> a
1890   f :: forall a. a -> a
1891
1892   g (x::a) = let
1893                 h :: a -> b -> b
1894                 h x y = y
1895              in ...
1896   g (x::a) = let
1897                 h :: forall b. a -> b -> b
1898                 h x y = y
1899              in ...
1900 </programlisting>
1901 </para>
1902 <para>
1903 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1904 point.  For example:
1905 <programlisting>
1906   f :: (a -> a) -> Int
1907            -- MEANS
1908   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1909            -- NOT
1910   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1911
1912
1913   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1914            -- MEANS the illegal type
1915   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1916            -- NOT
1917   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1918 </programlisting>
1919 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1920 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1921 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1922 for rank-2 types.
1923 </para>
1924 </sect3>
1925 </sect2>
1926
1927 <sect2 id="type-synonyms">
1928 <title>Liberalised type synonyms 
1929 </title>
1930
1931 <para>
1932 Type synonmys are like macros at the type level, and
1933 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1934 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1935 <itemizedlist>
1936 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1937 in a type synonym, thus:
1938 <programlisting>
1939   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1940
1941   f :: Discard a
1942   f x y = (x, show y)
1943
1944   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1945   g f = f Int True
1946 </programlisting>
1947 </para>
1948 </listitem>
1949
1950 <listitem><para>
1951 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1952 <programlisting>
1953   type Pr = (# Int, Int #)
1954
1955   h :: Int -> Pr
1956   h x = (# x, x #)
1957 </programlisting>
1958 </para></listitem>
1959
1960 <listitem><para>
1961 You can apply a type synonym to a forall type:
1962 <programlisting>
1963   type Foo a = a -> a -> Bool
1964  
1965   f :: Foo (forall b. b->b)
1966 </programlisting>
1967 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1968 <programlisting>
1969   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1970 </programlisting>
1971 </para></listitem>
1972
1973 <listitem><para>
1974 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1975 <programlisting>
1976   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1977   type Id x = x
1978   
1979   foo :: Generic Id []
1980 </programlisting>
1981 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1982 <programlisting>
1983   foo :: forall x. x -> [x]
1984 </programlisting>
1985 </para></listitem>
1986
1987 </itemizedlist>
1988 </para>
1989
1990 <para>
1991 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1992 could be changed.)
1993 </para>
1994 <para>
1995 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1996 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1997 <itemizedlist>
1998 <listitem><para>
1999 Type constructor applied to a type involving for-alls.
2000 </para></listitem>
2001 <listitem><para>
2002 Unboxed tuple on left of an arrow.
2003 </para></listitem>
2004 <listitem><para>
2005 Partially-applied type synonym.
2006 </para></listitem>
2007 </itemizedlist>
2008 So, for example,
2009 this will be rejected:
2010 <programlisting>
2011   type Pr = (# Int, Int #)
2012
2013   h :: Pr -> Int
2014   h x = ...
2015 </programlisting>
2016 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
2017 </para>
2018 </sect2>
2019
2020 <sect2 id="hoist">
2021 <title>For-all hoisting</title>
2022 <para>
2023 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
2024 end of an arrow, thus:
2025 <programlisting>
2026   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2027
2028   g :: Int -> Discard Int
2029   g x y z = x+y
2030 </programlisting>
2031 Simply expanding the type synonym would give
2032 <programlisting>
2033   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2034 </programlisting>
2035 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2036 <programlisting>
2037   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2038 </programlisting>
2039 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2040 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2041 performs the transformation:</emphasis>
2042 <programlisting>
2043   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2044 ==>
2045   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2046 </programlisting>
2047 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2048 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2049 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2050 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2051 <programlisting>
2052   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2053 </programlisting>
2054 </para>
2055 <para>
2056 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2057 example:
2058 <programlisting>
2059   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2060   g :: Foo (Foo Int)
2061 </programlisting>
2062 means
2063 <programlisting>
2064   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2065 </programlisting>
2066 </para>
2067 </sect2>
2068
2069
2070 <sect2 id="existential-quantification">
2071 <title>Existentially quantified data constructors
2072 </title>
2073
2074 <para>
2075 The idea of using existential quantification in data type declarations
2076 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
2077 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
2078 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
2079 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2080 </para>
2081
2082 <para>
2083
2084 <programlisting>
2085   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2086            | Nil
2087 </programlisting>
2088
2089 </para>
2090
2091 <para>
2092 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2093 </para>
2094
2095 <para>
2096
2097 <programlisting>
2098   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2099   Nil   :: Foo
2100 </programlisting>
2101
2102 </para>
2103
2104 <para>
2105 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2106 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2107 For example, the following expression is fine:
2108 </para>
2109
2110 <para>
2111
2112 <programlisting>
2113   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2114 </programlisting>
2115
2116 </para>
2117
2118 <para>
2119 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2120 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2121 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2122 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2123 </para>
2124
2125 <para>
2126 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2127 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2128 </para>
2129
2130 <para>
2131
2132 <programlisting>
2133   f (MkFoo val fn) = ???
2134 </programlisting>
2135
2136 </para>
2137
2138 <para>
2139 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2140 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2141 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2142 </para>
2143
2144 <para>
2145
2146 <programlisting>
2147   f :: Foo -> Bool
2148   f (MkFoo val fn) = fn val
2149 </programlisting>
2150
2151 </para>
2152
2153 <para>
2154 What this allows us to do is to package heterogenous values
2155 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2156 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2157 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2158 </para>
2159
2160 <sect3 id="existential">
2161 <title>Why existential?
2162 </title>
2163
2164 <para>
2165 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2166 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2167 </para>
2168
2169 <para>
2170
2171 <programlisting>
2172   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2173 </programlisting>
2174
2175 </para>
2176
2177 <para>
2178 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2179 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2180 adding a new existential quantification construct.
2181 </para>
2182
2183 </sect3>
2184
2185 <sect3>
2186 <title>Type classes</title>
2187
2188 <para>
2189 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
2190 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2191 </para>
2192
2193 <para>
2194
2195 <programlisting>
2196 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2197          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2198 </programlisting>
2199
2200 </para>
2201
2202 <para>
2203 The two constructors have the types you'd expect:
2204 </para>
2205
2206 <para>
2207
2208 <programlisting>
2209 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2210 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2211 </programlisting>
2212
2213 </para>
2214
2215 <para>
2216 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2217 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2218 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2219 So this program is legal:
2220 </para>
2221
2222 <para>
2223
2224 <programlisting>
2225   f :: Baz -> String
2226   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2227                | otherwise = "No"
2228   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2229 </programlisting>
2230
2231 </para>
2232
2233 <para>
2234 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2235 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2236 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2237 extract it on pattern matching.
2238 </para>
2239
2240 <para>
2241 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
2242 universal quantification earlier.
2243 </para>
2244
2245 </sect3>
2246
2247 <sect3>
2248 <title>Restrictions</title>
2249
2250 <para>
2251 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2252 constructors can be use.
2253 </para>
2254
2255 <para>
2256
2257 <itemizedlist>
2258 <listitem>
2259
2260 <para>
2261  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2262 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2263 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2264 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2265
2266
2267 <programlisting>
2268 f1 (MkFoo a f) = a
2269 </programlisting>
2270
2271
2272 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2273 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2274 ask what type <function>f1</function> has:
2275
2276
2277 <programlisting>
2278   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2279 </programlisting>
2280
2281
2282 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2283 this:
2284
2285
2286 <programlisting>
2287   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2288 </programlisting>
2289
2290
2291 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2292
2293
2294 <programlisting>
2295   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2296 </programlisting>
2297
2298
2299 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2300 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2301 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2302
2303
2304 </para>
2305 </listitem>
2306 <listitem>
2307
2308 <para>
2309 You can't pattern-match on an existentially quantified
2310 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2311 bindings. So this is illegal:
2312
2313
2314 <programlisting>
2315   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2316 </programlisting>
2317
2318 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2319
2320 <programlisting>
2321   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2322 </programlisting>
2323
2324 In general, you can only pattern-match
2325 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2326 in the patterns of a function definition.
2327
2328 The reason for this restriction is really an implementation one.
2329 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2330 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2331 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2332 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2333 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2334 annoying it is.
2335
2336 </para>
2337 </listitem>
2338 <listitem>
2339
2340 <para>
2341 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2342 declarations.  So this is illegal:
2343
2344
2345 <programlisting>
2346   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2347 </programlisting>
2348
2349
2350 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2351 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2352 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2353 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2354 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2355 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2356 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2357 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2358 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2359 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2360 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2361
2362
2363 </para>
2364 </listitem>
2365 <listitem>
2366
2367 <para>
2368  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2369 data type with existentially quantified data constructors.
2370
2371 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2372
2373 <programlisting>
2374 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2375 </programlisting>
2376
2377 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2378 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2379
2380 <programlisting>
2381 instance Eq T where
2382   (MkT a) == (MkT b) = ???
2383 </programlisting>
2384
2385 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2386 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2387 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2388 declarations.  Define your own instances!
2389 </para>
2390 </listitem>
2391
2392 </itemizedlist>
2393
2394 </para>
2395
2396 </sect3>
2397
2398 </sect2>
2399
2400 <sect2 id="scoped-type-variables">
2401 <title>Scoped type variables
2402 </title>
2403
2404 <para>
2405 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2406 variable</emphasis>.  For example
2407 </para>
2408
2409 <para>
2410
2411 <programlisting>
2412 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2413            where
2414               ys :: [a]
2415               ys = reverse xs
2416 </programlisting>
2417
2418 </para>
2419
2420 <para>
2421 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2422 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2423 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2424 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2425 </para>
2426
2427 <para>
2428  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2429 type signatures.  The two can be used independently or together.
2430 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2431 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2432 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2433 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2434 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2435 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2436 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2437 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2438 it becomes possible to do so.
2439 </para>
2440
2441 <para>
2442 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2443 implementations differ from the specification below, those differences
2444 are noted.
2445 </para>
2446
2447 <para>
2448 So much for the basic idea.  Here are the details.
2449 </para>
2450
2451 <sect3>
2452 <title>What a pattern type signature means</title>
2453 <para>
2454 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2455 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2456 of the same name mean the same type.  For example:
2457 <programlisting>
2458   f :: [Int] -> Int -> Int
2459   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2460 </programlisting>
2461 The pattern type signatures on the left hand side of
2462 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2463 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2464 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2465 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2466 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2467 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2468 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2469 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2470 For example, all of these are legal:</para>
2471
2472 <programlisting>
2473   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2474
2475   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2476
2477   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2478
2479   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2480         in k x                  -- environment
2481
2482   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2483   k (x::Int) False = ...
2484
2485   w :: [b] -> [b]
2486   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2487 </programlisting>
2488
2489 </sect3>
2490
2491 <sect3>
2492 <title>Scope and implicit quantification</title>
2493
2494 <para>
2495
2496 <itemizedlist>
2497 <listitem>
2498
2499 <para>
2500 All the type variables mentioned in a pattern,
2501 that are not already in scope,
2502 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2503 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2504 For example:
2505 <programlisting>
2506   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2507              in
2508              g (x,True)
2509 </programlisting>
2510 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2511 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2512 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2513 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2514 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2515 </para>
2516 </listitem>
2517
2518 <listitem>
2519 <para>
2520 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2521 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2522 <programlisting>
2523   let
2524     f (x::a) = <...rhs of f...>
2525     (p::b, q::b) = (1,2)
2526   in <...body of let...>
2527 </programlisting>
2528 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2529 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2530 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2531 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2532 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2533 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2534 </para>
2535 </listitem>
2536
2537
2538 <listitem>
2539 <para>
2540 The type variables bound by the pattern may be 
2541 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2542 type signatures anywhere within their scope.
2543
2544 </para>
2545 </listitem>
2546
2547 <listitem>
2548 <para>
2549  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2550 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2551
2552 </para>
2553 </listitem>
2554
2555 <listitem>
2556
2557 <para>
2558  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2559 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2560
2561 <programlisting>
2562   f :: a -> a
2563   f x = x::a
2564 </programlisting>
2565
2566 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2567 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2568 and that is an incorrect typing.
2569
2570 </para>
2571 </listitem>
2572
2573 <listitem>
2574 <para>
2575 The pattern type signature is a monotype:
2576 </para>
2577
2578 <itemizedlist>
2579 <listitem> <para> 
2580 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2581 </para> </listitem>
2582
2583 <listitem>  <para> 
2584 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2585 not to type schemes.
2586 </para> </listitem>
2587
2588 <listitem>  <para> 
2589 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2590 ordinary type signatures).
2591 </para> </listitem>
2592
2593 </itemizedlist>
2594
2595 </listitem>
2596
2597 <listitem>
2598 <para>
2599
2600 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2601 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2602
2603
2604 <programlisting>
2605   class C a where
2606     op :: [a] -> a
2607
2608     op xs = let ys::[a]
2609                 ys = reverse xs
2610             in
2611             head ys
2612 </programlisting>
2613
2614
2615 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2616 </para>
2617 </listitem>
2618
2619 </itemizedlist>
2620
2621 </para>
2622
2623 </sect3>
2624
2625 <sect3>
2626 <title>Result type signatures</title>
2627
2628 <para>
2629
2630 <itemizedlist>
2631 <listitem>
2632
2633 <para>
2634  The result type of a function can be given a signature,
2635 thus:
2636
2637
2638 <programlisting>
2639   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2640 </programlisting>
2641
2642
2643 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2644 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2645 you want:
2646
2647
2648 <programlisting>
2649   f :: Int -> [a] -> [a]
2650   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2651                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2652 </programlisting>
2653
2654
2655 </para>
2656 </listitem>
2657
2658 </itemizedlist>
2659
2660 </para>
2661
2662 <para>
2663 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2664 </para>
2665
2666 </sect3>
2667
2668 <sect3>
2669 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2670
2671 <para>
2672 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2673 <itemizedlist>
2674
2675 <listitem>
2676 <para>
2677 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2678 ust on a variable:
2679
2680
2681 <programlisting>
2682   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2683 </programlisting>
2684
2685
2686 </para>
2687 </listitem>
2688 <listitem>
2689
2690 <para>
2691  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2692 in lambda abstractions:
2693
2694 <programlisting>
2695   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2696 </programlisting>
2697 </para>
2698 </listitem>
2699 <listitem>
2700
2701 <para>
2702  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2703 in <literal>case</literal> expressions:
2704
2705
2706 <programlisting>
2707   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2708 </programlisting>
2709
2710 </para>
2711 </listitem>
2712
2713 <listitem>
2714 <para>
2715 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2716 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2717 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2718 consider how one would parse this:
2719
2720
2721 <programlisting>
2722   \ x :: a -> b -> x
2723 </programlisting>
2724
2725
2726 </para>
2727 </listitem>
2728
2729 <listitem>
2730
2731 <para>
2732  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2733 For example:
2734
2735
2736 <programlisting>
2737   data T = forall a. MkT [a]
2738
2739   f :: T -> T
2740   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2741                  where
2742                    t3::[a] = [t,t,t]
2743 </programlisting>
2744
2745
2746 </para>
2747 </listitem>
2748
2749
2750 <listitem>
2751
2752 <para>
2753 Pattern type signatures 
2754 can be used in pattern bindings:
2755
2756 <programlisting>
2757   f x = let (y, z::a) = x in ...
2758   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2759   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2760   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2761 </programlisting>
2762
2763 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2764 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2765 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2766 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2767 In contrast, the binding
2768 <programlisting>
2769   f4 :: b->b
2770   f4 = \x -> x
2771 </programlisting>
2772 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2773 in <literal>f4</literal>'s scope.
2774
2775 </para>
2776 </listitem>
2777 </itemizedlist>
2778 </para>
2779
2780 </sect3>
2781 </sect2>
2782
2783 <sect2 id="newtype-deriving">
2784 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2785
2786 <para>
2787 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2788 the new type to inherit some instances from its representation. In
2789 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2790 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2791 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2792 example, if you define
2793
2794 <programlisting> 
2795   newtype Dollars = Dollars Int 
2796 </programlisting> 
2797
2798 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2799 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2800
2801 <programlisting> 
2802   instance Num Dollars where
2803     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2804     ...
2805 </programlisting>
2806 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
2807 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
2808 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
2809 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
2810 dictionary, only slower!
2811 </para>
2812
2813
2814 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
2815 <para>
2816 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
2817 <programlisting> 
2818   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
2819 </programlisting> 
2820
2821 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
2822 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
2823 derives an instance declaration of the form
2824
2825 <programlisting> 
2826   instance Num Int => Num Dollars
2827 </programlisting> 
2828
2829 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
2830 </para>
2831 <para>
2832
2833 We can also derive instances of constructor classes in a similar
2834 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
2835 transformers, such that
2836
2837 <programlisting> 
2838   instance Monad m => Monad (State s m) 
2839   instance Monad m => Monad (Failure m)
2840 </programlisting> 
2841 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
2842 <programlisting> 
2843   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
2844 </programlisting> 
2845
2846 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
2847 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
2848 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
2849
2850 <programlisting> 
2851   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2852                          deriving Monad
2853 </programlisting>
2854 In this case the derived instance declaration is of the form 
2855 <programlisting> 
2856   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
2857 </programlisting> 
2858
2859 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
2860 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
2861 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
2862 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
2863 declaration.
2864 </para>
2865 <para>
2866
2867 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
2868 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
2869 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
2870 clause. For example, given the class
2871
2872 <programlisting> 
2873   class StateMonad s m | m -> s where ... 
2874   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
2875 </programlisting> 
2876 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
2877 <programlisting> 
2878   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2879                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
2880 </programlisting>
2881
2882 The derived instance is obtained by completing the application of the
2883 class to the new type:
2884
2885 <programlisting> 
2886   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
2887            StateMonad [tok] (Parser tok m)
2888 </programlisting>
2889 </para>
2890 <para>
2891
2892 As a result of this extension, all derived instances in newtype
2893 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
2894 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
2895 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
2896 the newtype and its representation.
2897 </para>
2898 </sect3>
2899
2900 <sect3> <title> A more precise specification </title>
2901 <para>
2902 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
2903 declaration (after expansion of any type synonyms)
2904
2905 <programlisting> 
2906   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
2907 </programlisting> 
2908
2909 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
2910 types,
2911 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
2912 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
2913 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
2914 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
2915
2916 <programlisting> 
2917   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
2918 </programlisting>
2919 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
2920 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
2921 </para>
2922 <para>
2923
2924 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
2925 <programlisting> 
2926   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
2927 </programlisting> 
2928 Here we cannot derive the instance 
2929 <programlisting> 
2930   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
2931 </programlisting> 
2932
2933 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
2934 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
2935 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
2936 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
2937 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
2938 </para>
2939 <para>
2940
2941 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
2942 important, since we can only derive instances for the last one. If the
2943 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
2944
2945 <programlisting> 
2946   class StateMonad m s | m -> s where ... 
2947 </programlisting>
2948
2949 then we would not have been able to derive an instance for the
2950 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
2951 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
2952 instances is most interesting.
2953 </para>
2954 </sect3>
2955
2956 </sect2>
2957
2958
2959 </sect1>
2960 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
2961   
2962 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
2963
2964 <sect1 id="template-haskell">
2965 <title>Template Haskell</title>
2966
2967 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  The background 
2968 the main technical innovations are discussed in "<ulink
2969 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
2970 Template Meta-programming for Haskell</ulink>", in 
2971 Proc Haskell Workshop 2002.
2972 </para>
2973
2974 <para>
2975 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
2976 Tim Sheard is going to expand it.)
2977 </para>
2978
2979 <sect2>  <title> Syntax </title>
2980 <para>
2981     Template Haskell has the following new syntactic constructions.  You need to use the flag  
2982                 <literal>-fglasgow-exts</literal> to switch these syntactic extensions on.
2983
2984         <itemizedlist>
2985               <listitem><para>
2986                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
2987                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
2988                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
2989                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
2990                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
2991                   </para>
2992               <para> A splice can occur in place of 
2993                   <itemizedlist>
2994                     <listitem><para> an expression;</para></listitem>
2995                     <listitem><para> a list of top-level declarations;</para></listitem>
2996                     <listitem><para> a pattern;</para></listitem>
2997                     <listitem><para> a type;</para></listitem>
2998                     </itemizedlist>
2999                 </para></listitem>
3000
3001
3002               <listitem><para>
3003                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3004                   <itemizedlist>
3005                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression;</para></listitem>
3006                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;</para></listitem>
3007                     <listitem><para> <literal>[p| ... |]</literal>, where the "..." is a pattern;</para></listitem>
3008                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;</para></listitem>
3009                   </itemizedlist></para></listitem>
3010
3011               <listitem><para>
3012                   Reification is written thus:
3013                   <itemizedlist>
3014                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3015                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3016                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3017                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3018                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3019                     
3020                   </itemizedlist></para>
3021                 </listitem>
3022
3023                   
3024         </itemizedlist>
3025 </para>
3026 </sect2>
3027
3028 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3029 <para>
3030 <itemizedlist>
3031     <listitem><para>
3032     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3033     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3034     </para></listitem>
3035
3036     <listitem><para>
3037             If the module contains any top-level splices that must be run, you must use GHC with
3038             <literal>--make</literal> or <literal>--interactive</literal> flags.  (Reason: that 
3039             means it walks the dependency tree and knows what modules must be linked etc.)
3040    </para></listitem>
3041
3042     <listitem><para>
3043     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3044             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3045             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3046    </para></listitem>
3047
3048     <listitem><para>
3049             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3050    </para></listitem>
3051 </itemizedlist>
3052 </para>
3053 </sect2>
3054  
3055 </sect1>
3056
3057 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
3058
3059 <sect1 id="sec-assertions">
3060 <title>Assertions
3061 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
3062 </title>
3063
3064 <para>
3065 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
3066 could define a function like the following:
3067 </para>
3068
3069 <para>
3070
3071 <programlisting>
3072 assert :: Bool -> a -> a
3073 assert False x = error "assertion failed!"
3074 assert _     x = x
3075 </programlisting>
3076
3077 </para>
3078
3079 <para>
3080 which works, but gives you back a less than useful error message --
3081 an assertion failed, but which and where?
3082 </para>
3083
3084 <para>
3085 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
3086 takes a descriptive string to include in the error message and
3087 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
3088 the source location where <function>assert</function> was used.
3089 </para>
3090
3091 <para>
3092 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
3093 use of <function>assert</function> in the user's source:
3094 </para>
3095
3096 <para>
3097
3098 <programlisting>
3099 kelvinToC :: Double -> Double
3100 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
3101 </programlisting>
3102
3103 </para>
3104
3105 <para>
3106 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
3107 assertion was made,
3108 </para>
3109
3110 <para>
3111
3112 <programlisting>
3113 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
3114 </programlisting>
3115
3116 </para>
3117
3118 <para>
3119 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
3120 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
3121 can still define and use your own versions of
3122 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
3123 <literal>Control.Exception</literal> to make use
3124 <function>assert</function> in your code.
3125 </para>
3126
3127 <para>
3128 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
3129 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
3130 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
3131 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
3132 <literal>e</literal>.
3133 </para>
3134
3135 <para>
3136 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
3137 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
3138 </para>
3139
3140 </sect1>
3141
3142
3143 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
3144
3145   <sect1 id="pragmas">
3146     <title>Pragmas</title>
3147
3148     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
3149
3150     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
3151     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
3152     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
3153     of the generated code.</para>
3154
3155     <para>Pragmas all take the form
3156
3157 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
3158
3159     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
3160     pragma, and is followed optionally by information specific to that
3161     type of pragma.  Case is ignored in
3162     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
3163     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
3164     in the following sections; any pragma encountered with an
3165     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
3166     ignored.</para>
3167
3168 <sect2 id="inline-pragma">
3169 <title>INLINE pragma
3170
3171 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
3172 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
3173
3174 <para>
3175 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
3176 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
3177 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
3178 </para>
3179
3180 <para>
3181 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
3182 interface files.
3183 </para>
3184
3185 <para>
3186 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
3187 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
3188 use.
3189 </para>
3190
3191 <para>
3192 The sledgehammer you can bring to bear is the
3193 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
3194
3195 <programlisting>
3196 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
3197
3198 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3199 {-# INLINE key_function #-}
3200 #endif
3201 </programlisting>
3202
3203 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
3204 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
3205 </para>
3206
3207 <para>
3208 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
3209 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
3210 very keen to inline it.
3211 </para>
3212
3213 <para>
3214 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
3215 signature could be put.
3216 </para>
3217
3218 <para>
3219 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
3220 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
3221 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
3222
3223 <programlisting>
3224 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3225 {-# INLINE thenUs #-}
3226 {-# INLINE returnUs #-}
3227 #endif
3228 </programlisting>
3229
3230 </para>
3231
3232 </sect2>
3233
3234 <sect2 id="noinline-pragma">
3235 <title>NOINLINE pragma
3236 </title>
3237
3238 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
3239 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
3240 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
3241 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
3242
3243 <para>
3244 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
3245 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
3246 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
3247 size.
3248 </para>
3249
3250 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
3251 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
3252 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
3253 used if you want your code to be portable).</para>
3254
3255 </sect2>
3256
3257     <sect2 id="specialize-pragma">
3258       <title>SPECIALIZE pragma</title>
3259
3260       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3261       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
3262       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3263
3264       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
3265       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
3266       specialised to particular types.  Thus, if you have an
3267       overloaded function:</para>
3268
3269 <programlisting>
3270 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
3271 </programlisting>
3272
3273       <para>If it is heavily used on lists with
3274       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
3275       follows:</para>
3276
3277 <programlisting>
3278 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
3279 </programlisting>
3280
3281       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
3282       to use for the specialised value, as in:</para>
3283
3284 <programlisting>
3285 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
3286 </programlisting>
3287
3288       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
3289       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
3290       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
3291       Responsibility</emphasis> to make sure that
3292       <function>blah</function> really behaves as a specialised
3293       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
3294
3295       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
3296       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
3297       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
3298       <xref linkend="rules"> for more information on
3299       <literal>RULES</literal>.</para>
3300
3301       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
3302       specialisation will Win Big:
3303
3304 <programlisting>
3305 toDouble :: Real a => a -> Double
3306 toDouble = fromRational . toRational
3307
3308 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
3309 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
3310 </programlisting>
3311
3312       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
3313       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
3314       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
3315       comparison.</para>
3316
3317       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
3318       be put anywhere its type signature could be put.</para>
3319
3320     </sect2>
3321
3322 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
3323 <title>SPECIALIZE instance pragma
3324 </title>
3325
3326 <para>
3327 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3328 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3329 Same idea, except for instance declarations.  For example:
3330
3331 <programlisting>
3332 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
3333    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
3334    ... usual stuff ...
3335  }
3336 </programlisting>
3337 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
3338 of the instance declaration.
3339 </para>
3340 <para>
3341 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
3342 of the pragma.
3343 </para>
3344
3345 </sect2>
3346
3347 <sect2 id="line-pragma">
3348 <title>LINE pragma
3349 </title>
3350
3351 <para>
3352 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
3353 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
3354 </para>
3355
3356 <para>
3357 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
3358 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
3359 number and filename of the original code; for example
3360 </para>
3361
3362 <para>
3363
3364 <programlisting>
3365 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
3366 </programlisting>
3367
3368 </para>
3369
3370 <para>
3371 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
3372 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
3373 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
3374 pragma.
3375 </para>
3376
3377 </sect2>
3378
3379 <sect2 id="rules">
3380 <title>RULES pragma</title>
3381
3382 <para>
3383 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
3384 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
3385 </para>
3386
3387 </sect2>
3388
3389 <sect2 id="deprecated-pragma">
3390 <title>DEPRECATED pragma</title>
3391
3392 <para>
3393 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
3394 There are two forms.  
3395 </para>
3396 <itemizedlist>
3397 <listitem><para>
3398 You can deprecate an entire module thus:</para>
3399 <programlisting>
3400    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
3401      ...
3402 </programlisting>
3403 <para>
3404 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
3405 the specified message.</para>
3406 </listitem>
3407
3408 <listitem>
3409 <para>
3410 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
3411 </para>
3412 <programlisting>
3413    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
3414 </programlisting>
3415 <para>
3416 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
3417 GHC will print the specified message.
3418 </para>
3419 </listitem>
3420 </itemizedlist>
3421 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
3422
3423 </sect2>
3424
3425 </sect1>
3426
3427 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
3428
3429 <sect1 id="rewrite-rules">
3430 <title>Rewrite rules
3431
3432 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
3433 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
3434 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
3435
3436 <para>
3437 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
3438 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
3439 </para>
3440
3441 <para>
3442 Here is an example:
3443
3444 <programlisting>
3445   {-# RULES
3446         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
3447   #-}
3448 </programlisting>
3449
3450 </para>
3451
3452 <sect2>
3453 <title>Syntax</title>
3454
3455 <para>
3456 From a syntactic point of view:
3457
3458 <itemizedlist>
3459 <listitem>
3460
3461 <para>
3462  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
3463 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
3464 </para>
3465 </listitem>
3466 <listitem>
3467
3468 <para>
3469  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3470 </para>
3471 </listitem>
3472 <listitem>
3473
3474 <para>
3475  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3476 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3477 enclosing definitions.
3478 </para>
3479 </listitem>
3480 <listitem>
3481
3482 <para>
3483  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3484 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3485 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3486 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3487 </para>
3488 </listitem>
3489 <listitem>
3490
3491 <para>
3492  A pattern variable may optionally have a type signature.
3493 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3494 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3495
3496 <programlisting>
3497 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3498               foldr k z (build g) = g k z
3499 </programlisting>
3500
3501 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3502
3503 </para>
3504 </listitem>
3505 <listitem>
3506
3507 <para>
3508 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3509 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3510
3511 <programlisting>
3512 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3513 "wrong2"   forall f.      f True = True
3514 </programlisting>
3515
3516 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3517 in the head.
3518 </para>
3519 </listitem>
3520 <listitem>
3521
3522 <para>
3523  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3524 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3525 </para>
3526 </listitem>
3527 <listitem>
3528
3529 <para>
3530  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3531 </para>
3532 </listitem>
3533
3534 </itemizedlist>
3535
3536 </para>
3537
3538 </sect2>
3539
3540 <sect2>
3541 <title>Semantics</title>
3542
3543 <para>
3544 From a semantic point of view:
3545
3546 <itemizedlist>
3547 <listitem>
3548
3549 <para>
3550 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3551 </para>
3552 </listitem>
3553
3554 <listitem>
3555 <para>
3556  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3557 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3558 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3559 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3560 expression by substituting for the pattern variables.
3561
3562 </para>
3563 </listitem>
3564 <listitem>
3565
3566 <para>
3567  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3568 same type.
3569
3570 </para>
3571 </listitem>
3572 <listitem>
3573
3574 <para>
3575  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3576 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3577 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3578
3579 </para>
3580 </listitem>
3581 <listitem>
3582
3583 <para>
3584  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3585 terminating.  For example:
3586
3587 <programlisting>
3588   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3589 </programlisting>
3590
3591 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3592
3593 </para>
3594 </listitem>
3595 <listitem>
3596
3597 <para>
3598  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3599
3600 </para>
3601 </listitem>
3602 <listitem>
3603 <para>
3604  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3605 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3606 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3607 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3608 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3609 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3610 </para>
3611
3612 <para>
3613 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3614 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3615 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3616 </para>
3617 </listitem>
3618 <listitem>
3619
3620 <para>
3621  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3622 For example, consider:
3623
3624 <programlisting>
3625   let s = map f
3626       t = map g
3627   in
3628   s (t xs)
3629 </programlisting>
3630
3631 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3632 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3633 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3634 not be substituted, and the rule would not fire.
3635
3636 </para>
3637 </listitem>
3638 <listitem>
3639
3640 <para>
3641  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3642 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3643 for something you can't match against it (given the simple minded
3644 matching).  So if you write the rule
3645
3646 <programlisting>
3647         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3648 </programlisting>
3649
3650 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3651 It will only match something written with explicit use of ".".
3652 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3653
3654 <programlisting>
3655 wibble f g xs
3656 </programlisting>
3657
3658 where <function>wibble</function> is defined:
3659
3660 <programlisting>
3661 wibble f g = map f . map g
3662 </programlisting>
3663
3664 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3665
3666 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3667 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3668 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3669
3670 </para>
3671 </listitem>
3672 <listitem>
3673
3674 <para>
3675  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3676 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3677 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3678 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3679 declarations.
3680 </para>
3681 </listitem>
3682
3683 </itemizedlist>
3684
3685 </para>
3686
3687 </sect2>
3688
3689 <sect2>
3690 <title>List fusion</title>
3691
3692 <para>
3693 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3694 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3695 intermediate list should be eliminated entirely.
3696 </para>
3697
3698 <para>
3699 The following are good producers:
3700
3701 <itemizedlist>
3702 <listitem>
3703
3704 <para>
3705  List comprehensions
3706 </para>
3707 </listitem>
3708 <listitem>
3709
3710 <para>
3711  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3712 </para>
3713 </listitem>
3714 <listitem>
3715
3716 <para>
3717  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3718 </para>
3719 </listitem>
3720 <listitem>
3721
3722 <para>
3723  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3724 </para>
3725 </listitem>
3726 <listitem>
3727
3728 <para>
3729  <function>++</function>
3730 </para>
3731 </listitem>
3732
3733 <listitem>
3734 <para>
3735  <function>map</function>
3736 </para>
3737 </listitem>
3738
3739 <listitem>
3740 <para>
3741  <function>filter</function>
3742 </para>
3743 </listitem>
3744 <listitem>
3745
3746 <para>
3747  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3748 </para>
3749 </listitem>
3750 <listitem>
3751
3752 <para>
3753  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3754 </para>
3755 </listitem>
3756
3757 </itemizedlist>
3758
3759 </para>
3760
3761 <para>
3762 The following are good consumers:
3763
3764 <itemizedlist>
3765 <listitem>
3766
3767 <para>
3768  List comprehensions
3769 </para>
3770 </listitem>
3771 <listitem>
3772
3773 <para>
3774  <function>array</function> (on its second argument)
3775 </para>
3776 </listitem>
3777 <listitem>
3778
3779 <para>
3780  <function>length</function>
3781 </para>
3782 </listitem>
3783 <listitem>
3784
3785 <para>
3786  <function>++</function> (on its first argument)
3787 </para>
3788 </listitem>
3789
3790 <listitem>
3791 <para>
3792  <function>foldr</function>
3793 </para>
3794 </listitem>
3795
3796 <listitem>
3797 <para>
3798  <function>map</function>
3799 </para>
3800 </listitem>
3801 <listitem>
3802
3803 <para>
3804  <function>filter</function>
3805 </para>
3806 </listitem>
3807 <listitem>
3808
3809 <para>
3810  <function>concat</function>
3811 </para>
3812 </listitem>
3813 <listitem>
3814
3815 <para>
3816  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3817 </para>
3818 </listitem>
3819 <listitem>
3820
3821 <para>
3822  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3823 will fuse with one but not the other)
3824 </para>
3825 </listitem>
3826 <listitem>
3827
3828 <para>
3829  <function>partition</function>
3830 </para>
3831 </listitem>
3832 <listitem>
3833
3834 <para>
3835  <function>head</function>
3836 </para>
3837 </listitem>
3838 <listitem>
3839
3840 <para>
3841  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3842 </para>
3843 </listitem>
3844 <listitem>
3845
3846 <para>
3847  <function>sequence&lowbar;</function>
3848 </para>
3849 </listitem>
3850 <listitem>
3851
3852 <para>
3853  <function>msum</function>
3854 </para>
3855 </listitem>
3856 <listitem>
3857
3858 <para>
3859  <function>sortBy</function>
3860 </para>
3861 </listitem>
3862
3863 </itemizedlist>
3864
3865 </para>
3866
3867 <para>
3868 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3869
3870 <programlisting>
3871 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3872 </programlisting>
3873
3874 </para>
3875
3876 <para>
3877 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3878 a lot which are not included, please tell us.
3879 </para>
3880
3881 <para>
3882 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3883 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3884 </para>
3885
3886 </sect2>
3887
3888 <sect2 id="rule-spec">
3889 <title>Specialisation
3890 </title>
3891
3892 <para>
3893 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3894 present in earlier version of GHC:
3895
3896 <programlisting>
3897   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3898 </programlisting>
3899
3900 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3901 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3902 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3903 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3904 </para>
3905
3906 <para>
3907 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3908 same thing:
3909
3910 <programlisting>
3911 {-# RULES
3912   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3913 #-}
3914 </programlisting>
3915
3916 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3917 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3918 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3919
3920 <programlisting>
3921 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3922         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3923 </programlisting>
3924
3925 What is more,
3926 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3927 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3928 have an original definition available to specialise).
3929 </para>
3930
3931 </sect2>
3932
3933 <sect2>
3934 <title>Controlling what's going on</title>
3935
3936 <para>
3937
3938 <itemizedlist>
3939 <listitem>
3940
3941 <para>
3942  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3943 </para>
3944 </listitem>
3945 <listitem>
3946
3947 <para>
3948  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3949 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3950 </para>
3951 </listitem>
3952 <listitem>
3953
3954 <para>
3955  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3956
3957 <programlisting>
3958         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3959         {-# INLINE build #-}
3960         build g = g (:) []
3961 </programlisting>
3962
3963 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3964 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3965 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3966 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3967
3968 </para>
3969 </listitem>
3970 <listitem>
3971
3972 <para>
3973  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3974 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3975 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3976 </para>
3977 </listitem>
3978
3979 </itemizedlist>
3980
3981 </para>
3982
3983 </sect2>
3984
3985 </sect1>
3986
3987 <sect1 id="generic-classes">
3988 <title>Generic classes</title>
3989
3990     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3991     GHC 5.02).</para>
3992
3993 <para>
3994 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3995 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3996 An example will give the idea:
3997 </para>
3998
3999 <programlisting>
4000   import Generics
4001
4002   class Bin a where
4003     toBin   :: a -> [Int]
4004     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
4005   
4006     toBin {| Unit |}    Unit      = []
4007     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
4008     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
4009     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
4010   
4011     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
4012     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
4013     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
4014     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
4015                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
4016 </programlisting>
4017 <para>
4018 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
4019 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
4020 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
4021 </para>
4022 <programlisting>
4023   data Unit    = Unit
4024   data a :+: b = Inl a | Inr b
4025   data a :*: b = a :*: b
4026 </programlisting>
4027 <para>
4028 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
4029 <programlisting>
4030   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
4031   instance Bin a => Bin [a]
4032 </programlisting>
4033 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
4034 where clause and over-ride whichever methods you please.
4035 </para>
4036
4037     <sect2>
4038       <title> Using generics </title>
4039       <para>To use generics you need to</para>
4040       <itemizedlist>
4041         <listitem>
4042           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
4043                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
4044                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
4045                 available.  </para>
4046         </listitem>
4047         <listitem>
4048           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
4049           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
4050           scope the data types <literal>Unit</literal>,
4051           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
4052           don't need this import if you don't mention these types
4053           explicitly; for example, if you are simply giving instance
4054           declarations.)</para>
4055         </listitem>
4056       </itemizedlist>
4057     </sect2>
4058
4059 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
4060 <para>
4061 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
4062 can be written infix (indeed, you can now use
4063 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
4064 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
4065 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
4066 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
4067 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
4068 anticipate wanting).
4069 </para>
4070 </sect2>
4071
4072 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
4073 <para>
4074 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
4075 is one that is defined using type patterns as above.
4076 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
4077 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
4078 generic default method.
4079 </para>
4080
4081 <para>
4082 Restrictions:
4083 <itemizedlist>
4084 <listitem>
4085 <para>
4086 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
4087 field labels.
4088 </para>
4089 </listitem>
4090
4091 <listitem>
4092 <para>
4093 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
4094 multi-parameter class.
4095 </para>
4096 </listitem>
4097
4098 <listitem>
4099 <para>
4100 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
4101 without.  So this is illegal:
4102 <programlisting>
4103   class Foo a where
4104     op :: a -> (a, Bool)
4105     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
4106     op x               = (x,    False)
4107 </programlisting>
4108 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
4109 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
4110 </para>
4111 </listitem>
4112
4113 <listitem>
4114 <para>
4115 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
4116 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:
4117 <programlisting>
4118   class Foo a where
4119     op :: a -> Bool
4120     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
4121     ...
4122 </programlisting>
4123 </para>
4124 </listitem>
4125
4126 <listitem>
4127 <para>
4128 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
4129 <programlisting>
4130        a :+: b
4131        a :*: b
4132        Unit
4133 </programlisting>
4134 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
4135 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
4136 must use the same type variables.  So this is illegal:
4137 <programlisting>
4138   class Foo a where
4139     op :: a -> Bool
4140     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
4141     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
4142 </programlisting>
4143 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
4144 So this too is illegal:
4145 <programlisting>
4146   class Foo a where
4147     op1 :: a -> Bool
4148     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
4149
4150     op2 :: a -> Bool
4151     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
4152 </programlisting>
4153 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
4154 into a single generic instance declaration.)
4155 </para>
4156 </listitem>
4157
4158 <listitem>
4159 <para>
4160 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
4161 </para>
4162 </listitem>
4163
4164 <listitem>
4165 <para>
4166 The type for a generic method can be built only from:
4167   <itemizedlist>
4168   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
4169   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
4170   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
4171   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
4172   </itemizedlist>
4173 Here are some example type signatures for generic methods:
4174 <programlisting>
4175     op1 :: a -> Bool
4176     op2 :: Bool -> (a,Bool)
4177     op3 :: [Int] -> a -> a
4178     op4 :: [a] -> Bool
4179 </programlisting>
4180 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
4181 inside a list.  
4182 </para>
4183 <para>
4184 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
4185 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
4186 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
4187 to the ones that are allowed.</para>
4188 </listitem>
4189
4190 <listitem>
4191 <para>
4192 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
4193 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
4194 do so if
4195   <itemizedlist>
4196   <listitem>
4197   <para>
4198   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
4199   </para>
4200   </listitem>
4201   <listitem>
4202   <para>
4203   No constructor of the instance type has unboxed fields.
4204   </para>
4205   </listitem>
4206   </itemizedlist>
4207 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
4208 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
4209 provided you give explicit code to override any generic default methods.
4210 </para>
4211 </listitem>
4212
4213 </itemizedlist>
4214 </para>
4215
4216 <para>
4217 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
4218 what the compiler does with generic declarations.
4219 </para>
4220
4221 </sect2>
4222
4223 <sect2> <title> Another example </title>
4224 <para>
4225 Just to finish with, here's another example I rather like:
4226 <programlisting>
4227   class Tag a where
4228     nCons :: a -> Int
4229     nCons {| Unit |}    _ = 1
4230     nCons {| a :*: b |} _ = 1
4231     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
4232   
4233     tag :: a -> Int
4234     tag {| Unit |}    _       = 1
4235     tag {| a :*: b |} _       = 1   
4236     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
4237     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
4238 </programlisting>
4239 </para>
4240 </sect2>
4241 </sect1>
4242
4243
4244
4245 <!-- Emacs stuff:
4246      ;;; Local Variables: ***
4247      ;;; mode: sgml ***
4248      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
4249      ;;; End: ***
4250  -->