[project @ 2003-02-14 14:18:02 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
23 separate libraries documentation describes all the libraries that come
24 with GHC.
25 </para>
26
27 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
28   <sect1 id="options-language">
29     <title>Language options</title>
30
31     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
32     </indexterm>
33     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
36     </indexterm>
37
38     <para> These flags control what variation of the language are
39     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
40     98.</para>
41
42     <variablelist>
43
44       <varlistentry>
45         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
46         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
47         <listitem>
48           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
49           Haskell 98 described in <xref
50           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
51           noted. </para>
52         </listitem>
53       </varlistentry>
54
55       <varlistentry>
56         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
57         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
58         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
59         <listitem>
60           <para>This option enables the language extension defined in the
61           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
62           syntax of previous versions of the FFI for backwards
63           compatibility.</para> 
64         </listitem>
65       </varlistentry>
66
67       <varlistentry>
68         <term><option>-fwith</option>:</term>
69         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
70         <listitem>
71           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
72           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
73           compatibility.
74           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
75           flag. </para>
76         </listitem>
77       </varlistentry>
78
79       <varlistentry>
80         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
81         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
82         <listitem>
83           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
84           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
85           flag. </para>
86         </listitem>
87       </varlistentry>
88
89       <varlistentry>
90         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
92         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
93         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
96         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
97         <listitem>
98           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
99           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
100         </listitem>
101       </varlistentry>
102
103       <varlistentry>
104         <term><option>-finline-phase</option></term>
105         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
106         <listitem>
107           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
108           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
109         </listitem>
110       </varlistentry>
111
112       <varlistentry>
113         <term><option>-fgenerics</option></term>
114         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
115         <listitem>
116           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
117           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
118         </listitem>
119       </varlistentry>
120
121         <varlistentry>
122           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
123           <listitem>
124             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
125             option</primary></indexterm> GHC normally imports
126             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
127             rather it didn't, then give it a
128             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
129             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
130             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
131             module namespace is flat, and you must not conflict with
132             any Prelude module.)</para>
133
134             <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
135             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
136             Prelude types and values, as specified by the Haskell
137             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
138             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
139             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
140             translation for list comprehensions continues to use
141             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
142
143             <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
144             change the handling of certain built-in syntax: see
145             <xref LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
146
147           </listitem>
148         </varlistentry>
149
150     </variablelist>
151   </sect1>
152
153 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
154 <!--    included from primitives.sgml  -->
155 <!-- &primitives; -->
156 <sect1 id="primitives">
157   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
158
159 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
160 While you really can use this stuff to write fast code,
161   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
162   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
163   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
164   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
165   about it.</para>
166
167 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
168 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
169 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
170 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
171
172 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
173 work over those types, is held in the file
174 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt</filename>.
175 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
176 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
177
178 <para> Indeed,
179 the result of such processing is part of the description of the 
180  <ulink
181       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
182          Core language</ulink>.
183 So that document is a good place to look for a type-set version.
184 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
185 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
186 we could include the results here in the User Guide.</para>
187
188 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
189   
190 <sect2 id="glasgow-unboxed">
191 <title>Unboxed types
192 </title>
193
194 <para>
195 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
196 </para>
197
198 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
199 that values of that type are represented by a pointer to a heap
200 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
201 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
202 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
203 allocation are involved.
204 </para>
205
206 <para>
207 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
208 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
209 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
210 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
211 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
212 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
213 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
214 know and love&mdash;usually one instruction.
215 </para>
216
217 <para>
218 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
219 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
220 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
221 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
222 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
223 </para>
224
225 <para>
226 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
227 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
228 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
229 a primitive value might be represented by a pointer to a
230 heap-allocated object.  Examples include
231 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
232 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
233 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
234 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
235 represents a primitive value, then it really does point to that value:
236 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
237 other end of the pointer than the primitive value.
238 </para>
239
240 <para>
241 There are some restrictions on the use of primitive types, the main
242 one being that you can't pass a primitive value to a polymorphic
243 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
244 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
245 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
246 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
247 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
248 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
249 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
250 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
251 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
252 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
253 </para>
254
255 <para>
256 Nevertheless, A numerically-intensive program using unboxed types can
257 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
258 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
259 </para>
260
261 </sect2>
262
263 <sect2 id="unboxed-tuples">
264 <title>Unboxed Tuples
265 </title>
266
267 <para>
268 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
269 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
270 unboxed tuple looks like this:
271 </para>
272
273 <para>
274
275 <programlisting>
276 (# e_1, ..., e_n #)
277 </programlisting>
278
279 </para>
280
281 <para>
282 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
283 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
284 the same.
285 </para>
286
287 <para>
288 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
289 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
290 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
291 components are put directly into registers or on the stack; the
292 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
293 of the primitive operations listed in this section return unboxed
294 tuples.
295 </para>
296
297 <para>
298 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
299 </para>
300
301 <para>
302
303 <itemizedlist>
304 <listitem>
305
306 <para>
307  Unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
308 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
309 structures or passed to polymorphic functions.
310
311 </para>
312 </listitem>
313 <listitem>
314
315 <para>
316  Unboxed tuples may only be constructed as the direct result of
317 a function, and may only be deconstructed with a <literal>case</literal> expression.
318 eg. the following are valid:
319
320
321 <programlisting>
322 f x y = (# x+1, y-1 #)
323 g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
324 </programlisting>
325
326
327 but the following are invalid:
328
329
330 <programlisting>
331 f x y = g (# x, y #)
332 g (# x, y #) = x + y
333 </programlisting>
334
335
336 </para>
337 </listitem>
338 <listitem>
339
340 <para>
341  No variable can have an unboxed tuple type.  This is illegal:
342
343
344 <programlisting>
345 f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
346 f x = x
347 </programlisting>
348
349
350 because <literal>x</literal> has an unboxed tuple type.
351
352 </para>
353 </listitem>
354
355 </itemizedlist>
356
357 </para>
358
359 <para>
360 Note: we may relax some of these restrictions in the future.
361 </para>
362
363 <para>
364 The <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
365 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
366 </para>
367
368 </sect2>
369 </sect1>
370
371
372 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
373
374 <sect1 id="syntax-extns">
375 <title>Syntactic extensions</title>
376  
377     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
378
379     <sect2 id="hierarchical-modules">
380       <title>Hierarchical Modules</title>
381
382       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
383       names: a module name is allowed to contain a dot
384       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
385       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
386       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
387       more flexible hierarchy of modules.</para>
388
389       <para>This extension has very little impact on the language
390       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
391       qualified, so you can just think of the fully qualified module
392       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
393       means that the full module name must be given after the
394       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
395       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
396       begin</para>
397
398 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
399
400
401       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
402       keyword to save some typing when using qualified names with
403       hierarchical modules.  For example:</para>
404
405 <programlisting>
406 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
407 </programlisting>
408
409       <para>Hierarchical modules have an impact on the way that GHC
410       searches for files.  For a description, see <xref
411       linkend="finding-hierarchical-modules">.</para>
412
413       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
414       hierarchically; see the accompanying library documentation.
415       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
416       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
417       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
418       current status of that project.  For more details, see <ulink
419       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
420       Libraries</ulink>.</para>
421
422     </sect2>
423
424     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
425
426 <sect2 id="pattern-guards">
427 <title>Pattern guards</title>
428
429 <para>
430 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
431 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.)
432 </para>
433
434 <para>
435 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
436 lookup operation:
437
438 <programlisting>
439 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
440 </programlisting>
441
442 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
443 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
444 </para>
445
446 <programlisting>
447 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
448 | otherwise  = var1 + var2
449 where
450   m1 = lookup env var1
451   m2 = lookup env var2
452   ok1 = maybeToBool m1
453   ok2 = maybeToBool m2
454   val1 = expectJust m1
455   val2 = expectJust m2
456 </programlisting>
457
458 <para>
459 The auxiliary functions are 
460 </para>
461
462 <programlisting>
463 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
464 maybeToBool (Just x) = True
465 maybeToBool Nothing  = False
466
467 expectJust :: Maybe a -&gt; a
468 expectJust (Just x) = x
469 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
470 </programlisting>
471
472 <para>
473 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
474 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
475 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
476 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
477 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
478 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
479 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
480 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
481 </para>
482
483 <para>
484 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
485 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
486 to write clunky would be to use case expressions:
487 </para>
488
489 <programlisting>
490 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
491   Nothing -&gt; fail
492   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
493     Nothing -&gt; fail
494     Just val2 -&gt; val1 + val2
495 where
496   fail = val1 + val2
497 </programlisting>
498
499 <para>
500 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
501 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
502 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
503 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
504 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
505 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
506 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
507 tends to become more and more indented. 
508 </para>
509
510 <para>
511 Here is how I would write clunky:
512 </para>
513
514 <programlisting>
515 clunky env var1 var1
516   | Just val1 &lt;- lookup env var1
517   , Just val2 &lt;- lookup env var2
518   = val1 + val2
519 ...other equations for clunky...
520 </programlisting>
521
522 <para>
523 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
524 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
525 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
526 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
527 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
528 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
529 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
530 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
531 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
532 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
533 </para>
534
535 <para>
536 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
537 with among the pattern guards.  For example:
538 </para>
539
540 <programlisting>
541 f x | [y] <- x
542     , y > 3
543     , Just z <- h y
544     = ...
545 </programlisting>
546
547 <para>
548 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
549 qualifier list has just one element, a boolean expression.
550 </para>
551 </sect2>
552
553     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
554
555 <sect2 id="mdo-notation">
556 <title>The recursive do-notation
557 </title>
558
559 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
560 "A recursive do for Haskell",
561 Levent Erkok, John Launchbury",
562 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
563 </para>
564 <para>
565 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
566 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
567 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
568 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
569 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
570 </para>
571 <para>
572 Here is a simple (yet contrived) example:
573 </para>
574 <programlisting>
575 import Control.Monad.Fix
576
577 justOnes = mdo xs <- Just (1:xs)
578                return xs
579 </programlisting>
580 <para>
581 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
582 </para>
583
584 <para>
585 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
586 </para>
587 <programlisting>
588 class Monad m => MonadFix m where
589    mfix :: (a -> m a) -> m a
590 </programlisting>
591 <para>
592 The function <literal>mfix</literal>
593 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
594 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
595 For details, see the above mentioned reference.
596 </para>
597 <para>
598 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
599 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
600 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
601 </para>
602 <para>
603 There are three important points in using the recursive-do notation:
604 <itemizedlist>
605 <listitem><para>
606 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
607 than <literal>do</literal>).
608 </para></listitem>
609
610 <listitem><para>
611 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
612 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
613 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
614 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
615 </para></listitem>
616
617 <listitem><para>
618 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
619 </para></listitem>
620 </itemizedlist>
621 </para>
622
623 <para>
624 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
625 contains up to date information on recursive monadic bindings.
626 </para>
627
628 <para>
629 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
630 of the existing documents) used the name
631 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
632 This name is not supported by GHC.
633 </para>
634
635 </sect2>
636
637
638 <sect2> <title> Infix type constructors </title>
639
640 <para>GHC supports infix type constructors, much as it supports infix data constructors.  For example:
641 <programlisting>
642   infixl 5 :+:
643
644   data a :+: b = Inl a | Inr b
645
646   f :: a `Either` b -> a :+: b
647   f (Left x) = Inl x
648 </programlisting>
649 </para>
650 <para>The lexical 
651 syntax of an infix type constructor is just like that of an infix data constructor: either
652 it's an operator beginning with ":", or it is an ordinary (alphabetic) type constructor enclosed in
653 back-quotes.</para>
654
655 <para>
656 When you give a fixity declaration, the fixity applies to both the data constructor and the
657 type constructor with the specified name.  You cannot give different fixities to the type constructor T
658 and the data constructor T.
659 </para>
660
661
662 </sect2>
663
664    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
665
666   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
667     <title>Parallel List Comprehensions</title>
668     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
669     </indexterm>
670     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
671     </indexterm>
672
673     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
674     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
675     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
676     extend this to include the zipWith family.</para>
677
678     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
679     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
680     example, the following zips together two lists:</para>
681
682 <programlisting>
683    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
684 </programlisting>
685
686     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
687     zip, in that the resulting list will have the same length as the
688     shortest branch.</para>
689
690     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
691     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
692
693     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
694
695 <programlisting>
696    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
697        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
698        ... 
699    ] 
700 </programlisting>
701
702     <para>This will be translated to: </para>
703
704 <programlisting>
705    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
706                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
707                                          ... 
708    ] 
709 </programlisting>
710
711     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
712     branches.</para>
713
714   </sect2>
715
716 <sect2 id="rebindable-syntax">
717 <title>Rebindable syntax</title>
718
719
720       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
721       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
722       with a home-grown version, for example.</para>
723
724             <para>You may want to define your own numeric class
725             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
726             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
727             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
728             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
729             the following pieces of built-in syntax to refer to
730             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
731             versions:</para>
732
733             <itemizedlist>
734               <listitem>
735                 <para>Integer and fractional literals mean
736                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
737                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
738                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
739                 patterns. </para>
740                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
741                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
742               </listitem>
743
744               <listitem>
745                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
746                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
747                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
748               </listitem>
749
750               <listitem>
751                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
752                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
753                 but the necessary subtraction uses whatever
754                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
755                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
756               </listitem>
757
758               <listitem>
759           <para>"Do" notation is translated using whatever
760               functions <literal>(>>=)</literal>,
761               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
762               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
763               versions).  List comprehensions, and parallel array
764               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
765             </itemizedlist>
766
767              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
768              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
769              must have the appropriate types, namely:
770              <screen>
771                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
772                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
773                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
774                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
775                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
776                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
777                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
778                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
779              </screen>
780              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
781              is up to you.)
782              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
783              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
784              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
785
786 </sect2>
787 </sect1>
788
789
790 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
791 <sect1 id="type-extensions">
792 <title>Type system extensions</title>
793
794 <sect2 id="nullary-types">
795 <title>Data types with no constructors</title>
796
797 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
798 a data type with no constructors.  For example:</para>
799
800 <programlisting>
801   data S      -- S :: *
802   data T a    -- T :: * -> *
803 </programlisting>
804
805 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
806 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
807 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
808 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
809
810 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
811 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
812 </sect2>
813
814 <sect2 id="infix-tycons">
815 <title>Infix type constructors</title>
816
817 <para>
818 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
819 like expressions.  More specifically:
820 <itemizedlist>
821 <listitem><para>
822   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
823   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
824   </para></listitem>
825 <listitem><para>
826   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
827   </para></listitem>
828 <listitem><para>
829   Back-quotes work
830   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
831   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
832   </para></listitem>
833 <listitem><para>
834   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
835   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
836   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
837 <screen>
838   infixl 7 T, :*:
839 </screen>
840   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
841   and similarly for <literal>:*:</literal>.
842   <literal>Int `a` Bool</literal>.
843   </para></listitem>
844 <listitem><para>
845   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
846   </para></listitem>
847 <listitem><para>
848   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
849 <screen>
850   data a :*: b = Foo a b
851   type a :+: b = Either a b
852 </screen>
853   </para></listitem>
854 <listitem><para>
855   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
856   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
857   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
858   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
859   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
860   lists.  So for now we just exclude them.
861   </para></listitem>
862
863 </itemizedlist>
864 </para>
865 </sect2>
866
867 <sect2 id="sec-kinding">
868 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
869
870 <para>
871 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
872 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
873 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
874 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
875 John Hughes had to define the data type:
876 <Screen>
877      data Set cxt a = Set [a]
878                     | Unused (cxt a -> ())
879 </Screen>
880 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
881 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
882 </para>
883 <para>
884 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
885 a type variable is explicitly bound.  Namely:
886 <itemizedlist>
887 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
888 <Screen>
889   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
890 </Screen></para></listitem>
891 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
892 <Screen>
893   type T (f :: * -> *) = f Int
894 </Screen></para></listitem>
895 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
896 <Screen>
897   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
898 </Screen></para></listitem>
899 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
900 <Screen>
901   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
902 </Screen></para></listitem>
903 </itemizedlist>
904 </para>
905
906 <para>
907 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
908 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
909 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
910 single lexeme in Haskell.
911 </para>
912
913 <para>
914 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
915 as well.  Thus:
916 <Screen>
917    f :: (Int :: *) -> Int
918    g :: forall a. a -> (a :: *)
919 </Screen>
920 The syntax is
921 <Screen>
922    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
923 </Screen>
924 The parentheses are required.
925 </para>
926 </sect2>
927
928
929 <sect2 id="class-method-types">
930 <title>Class method types
931 </title>
932 <para>
933 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
934 class type variable, thus:
935 <programlisting>
936   class Seq s a where
937     fromList :: [a] -> s a
938     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
939 </programlisting>
940 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
941 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
942 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
943 </para>
944 <para>
945 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
946 </para>
947
948 </sect2>
949
950 <sect2 id="multi-param-type-classes">
951 <title>Multi-parameter type classes
952 </title>
953
954 <para>
955 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
956 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
957 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
958 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
959 Jones, Erik Meijer).
960 </para>
961
962 <para>
963 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
964 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
965 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
966 examples to support several generalisations.  (These appear below as
967 design choices not implemented in 3.02.)
968 </para>
969
970 <para>
971 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
972 will migrate towards the same design choices as I outline here.
973 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
974 feedback.
975 </para>
976
977 <sect3>
978 <title>Types</title>
979
980 <para>
981 There are the following restrictions on the form of a qualified
982 type:
983 </para>
984
985 <para>
986
987 <programlisting>
988   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
989 </programlisting>
990
991 </para>
992
993 <para>
994 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
995 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
996 explicit source-language type signature are universally quantified,
997 except for the class type variables in a class declaration.  However,
998 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
999 </para>
1000
1001 <para>
1002
1003 <OrderedList>
1004 <listitem>
1005
1006 <para>
1007  <emphasis>Each universally quantified type variable
1008 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
1009
1010 The reason for this is that a value with a type that does not obey
1011 this restriction could not be used without introducing
1012 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
1013
1014
1015 <programlisting>
1016   forall a. Eq a => Int
1017 </programlisting>
1018
1019
1020 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1021 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1022 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1023 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1024 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1025 get any more information about <literal>tv</literal>.
1026
1027 </para>
1028 </listitem>
1029 <listitem>
1030
1031 <para>
1032  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1033 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1034
1035 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1036 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1037
1038
1039 <programlisting>
1040   forall a. C a b => burble
1041 </programlisting>
1042
1043
1044 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1045 mention <literal>a</literal>:
1046
1047
1048 <programlisting>
1049   forall a. Eq b => burble
1050 </programlisting>
1051
1052
1053 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1054 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1055 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1056 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1057 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1058 territory free in case we need it later.
1059
1060 </para>
1061 </listitem>
1062
1063 </OrderedList>
1064
1065 </para>
1066
1067 <para>
1068 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
1069 or inferred.
1070 </para>
1071
1072 <para>
1073 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1074 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
1075 are perfectly OK
1076 </para>
1077
1078 <para>
1079
1080 <programlisting>
1081   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
1082   g :: Eq [a] => ...
1083 </programlisting>
1084
1085 </para>
1086
1087 <para>
1088 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
1089 </para>
1090
1091 </sect3>
1092
1093 <sect3>
1094 <title>Class declarations</title>
1095
1096 <para>
1097
1098 <OrderedList>
1099 <listitem>
1100
1101 <para>
1102  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1103
1104
1105 <programlisting>
1106   class Collection c a where
1107     union :: c a -> c a -> c a
1108     ...etc.
1109 </programlisting>
1110
1111
1112
1113 </para>
1114 </listitem>
1115 <listitem>
1116
1117 <para>
1118  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1119 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1120 this is OK:
1121
1122
1123 <programlisting>
1124   class C a where {
1125     op :: D b => a -> b -> b
1126   }
1127
1128   class C a => D a where { ... }
1129 </programlisting>
1130
1131
1132 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1133 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1134 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1135
1136 </para>
1137 </listitem>
1138 <listitem>
1139
1140 <para>
1141  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1142 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1143 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1144
1145
1146 <programlisting>
1147   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1148     ...
1149
1150   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1151     lift :: m a -> (t m) a
1152 </programlisting>
1153
1154
1155 </para>
1156 </listitem>
1157 <listitem>
1158
1159 <para>
1160  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
1161 must mention at least one type variable that is not a class type
1162 variable</emphasis>.
1163
1164 Thus:
1165
1166
1167 <programlisting>
1168   class Collection c a where
1169     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
1170 </programlisting>
1171
1172
1173 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
1174 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
1175 <literal>a</literal>.  On the other hand:
1176
1177
1178 <programlisting>
1179   class C a where
1180     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
1181 </programlisting>
1182
1183
1184 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
1185 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
1186 example is easily fixed by moving the offending context up to the
1187 superclass context:
1188
1189
1190 <programlisting>
1191   class Eq a => C a where
1192     op ::(a,b) -> (a,b)
1193 </programlisting>
1194
1195
1196 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
1197 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
1198 Rule 1(b) for types above.
1199
1200 </para>
1201 </listitem>
1202 <listitem>
1203
1204 <para>
1205  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
1206 the class type variables</emphasis>.  For example:
1207
1208
1209 <programlisting>
1210   class Coll s a where
1211     empty  :: s
1212     insert :: s -> a -> s
1213 </programlisting>
1214
1215
1216 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1217 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1218 types, and has the same motivation.
1219
1220 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1221 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1222
1223
1224 <programlisting>
1225   class Coll s a where
1226     empty  :: s a
1227     insert :: s a -> a -> s a
1228 </programlisting>
1229
1230
1231 which makes the connection between the type of a collection of
1232 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1233 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1234 class like this:
1235
1236
1237 <programlisting>
1238   class CollE s where
1239     empty  :: s
1240
1241   class CollE s => Coll s a where
1242     insert :: s -> a -> s
1243 </programlisting>
1244
1245
1246 </para>
1247 </listitem>
1248
1249 </OrderedList>
1250
1251 </para>
1252
1253 </sect3>
1254
1255 <sect3 id="instance-decls">
1256 <title>Instance declarations</title>
1257
1258 <para>
1259
1260 <OrderedList>
1261 <listitem>
1262
1263 <para>
1264  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
1265 declarations
1266
1267
1268 <programlisting>
1269   instance context1 => C type1 where ...
1270   instance context2 => C type2 where ...
1271 </programlisting>
1272
1273
1274 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
1275
1276 However, if you give the command line option
1277 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1278 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
1279 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
1280 if another instance declaration also applies, either now or later.
1281
1282 <itemizedlist>
1283 <listitem>
1284
1285 <para>
1286  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
1287 </para>
1288 </listitem>
1289 <listitem>
1290
1291 <para>
1292  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
1293 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
1294 </para>
1295 </listitem>
1296 </itemizedlist>
1297 Notice that these rules
1298 <itemizedlist>
1299 <listitem>
1300
1301 <para>
1302  make it clear which instance decl to use
1303 (pick the most specific one that matches)
1304
1305 </para>
1306 </listitem>
1307 <listitem>
1308
1309 <para>
1310  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1311 Reason: you can pick which instance decl
1312 "matches" based on the type.
1313 </para>
1314 </listitem>
1315
1316 </itemizedlist>
1317 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
1318 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1319 <programlisting>
1320   instance C (Int,a) where ...
1321   instance C (a,Bool) where ...
1322 </programlisting>
1323 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1324 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1325 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1326 </para>
1327 <para>
1328 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1329 <programlisting>
1330   class C a where { op :: a -> a }
1331   instance C [Int] where ...
1332   instance C a => C [a] where ...
1333   
1334   f :: C b => [b] -> [b]
1335   f x = op x
1336 </programlisting>
1337 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1338 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1339 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1340 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1341 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1342 the problem of subsequent instantiations.
1343 </para>
1344 <para>
1345 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1346 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1347 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1348 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1349 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1350 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1351 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1352 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1353
1354 </para>
1355 </listitem>
1356 <listitem>
1357
1358 <para>
1359  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1360 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1361 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1362 example, these are OK:
1363
1364
1365 <programlisting>
1366   instance C Int a where ...
1367
1368   instance D (Int, Int) where ...
1369
1370   instance E [[a]] where ...
1371 </programlisting>
1372
1373
1374 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1375 For example, this is OK:
1376
1377
1378 <programlisting>
1379   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1380 </programlisting>
1381
1382
1383 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1384 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1385 constructor.  For example, the following would make the type checker
1386 loop if it wasn't excluded:
1387
1388
1389 <programlisting>
1390   instance C a => C a where ...
1391 </programlisting>
1392
1393
1394 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1395 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1396 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1397 something more specific does not:
1398
1399
1400 <programlisting>
1401   instance C a where
1402     op = ... -- Default
1403 </programlisting>
1404
1405
1406 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1407 effect of a "class synonym":
1408
1409
1410 <programlisting>
1411   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1412
1413   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1414 </programlisting>
1415
1416
1417 This allows you to write shorter signatures:
1418
1419
1420 <programlisting>
1421   f :: C a => ...
1422 </programlisting>
1423
1424
1425 instead of
1426
1427
1428 <programlisting>
1429   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1430 </programlisting>
1431
1432
1433 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1434 allowing these idioms.  The experimental flag
1435 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1436 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1437 instance head to be type variables.
1438
1439 </para>
1440 </listitem>
1441 <listitem>
1442
1443 <para>
1444  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1445 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1446 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1447
1448
1449 <programlisting>
1450   type Point = (Int,Int)
1451   instance C Point   where ...
1452   instance C [Point] where ...
1453 </programlisting>
1454
1455
1456 is legal.  However, if you added
1457
1458
1459 <programlisting>
1460   instance C (Int,Int) where ...
1461 </programlisting>
1462
1463
1464 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1465 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1466 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1467
1468
1469 <programlisting>
1470   type P a = [[a]]
1471   instance Monad P where ...
1472 </programlisting>
1473
1474
1475 This design decision is independent of all the others, and easily
1476 reversed, but it makes sense to me.
1477
1478 </para>
1479 </listitem>
1480 <listitem>
1481
1482 <para>
1483 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1484 be type variables</emphasis>. Thus
1485
1486
1487 <programlisting>
1488 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1489 </programlisting>
1490
1491
1492 is OK, but
1493
1494
1495 <programlisting>
1496 instance C Int b => Foo b where ...
1497 </programlisting>
1498
1499
1500 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1501 reduction terminates.
1502
1503 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1504 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1505 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1506 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1507 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1508 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1509 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1510
1511 </para>
1512 </listitem>
1513
1514 </OrderedList>
1515
1516 </para>
1517
1518 </sect3>
1519
1520 </sect2>
1521
1522 <sect2 id="implicit-parameters">
1523 <title>Implicit parameters
1524 </title>
1525
1526 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1527 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1528 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1529 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1530 Boston, Jan 2000.
1531 </para>
1532 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
1533 <para>
1534 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1535 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1536 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1537 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1538 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1539 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1540 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1541 only support static scoping of variables.
1542 </para>
1543 <para>
1544 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1545 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1546 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1547 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1548 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1549 of type <literal>t'</literal>". For
1550 example, the following expresses the type of a sort function,
1551 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1552 <programlisting>
1553   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1554 </programlisting>
1555 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1556 </para>
1557 <para>
1558 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
1559 where <literal>x</literal> is
1560 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
1561 Use of this construct also introduces a new
1562 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
1563 For example, the following definition
1564 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1565 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1566 <programlisting>
1567   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1568
1569   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1570   sort    = sortBy ?cmp
1571 </programlisting>
1572 </para>
1573
1574 <sect3>
1575 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
1576 <para>
1577 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1578 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1579 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1580 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1581 to pick out the least value in a list:
1582 <programlisting>
1583   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1584   least xs = fst (sort xs)
1585 </programlisting>
1586 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1587 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1588 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1589 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1590 propagate them.
1591 </para>
1592 <para>
1593 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
1594 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1595 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1596 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1597 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1598 class constraints.
1599 </para>
1600
1601 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1602 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1603 <programlisting>
1604   class (?x::Int) => C a where ...
1605   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1606 </programlisting>
1607 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1608 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1609 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1610 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1611 <para>
1612 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
1613 <programlisting>
1614    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
1615    f n = n + length ?x
1616
1617    g :: (Read a, Show a) => String -> String
1618    g s = show (read s)
1619 </programlisting>
1620 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
1621 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
1622 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
1623 </para>
1624 </sect3>
1625
1626 <sect3>
1627 <title>Implicit-parameter bindings</title>
1628
1629 <para>
1630 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
1631 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
1632 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
1633 <literal>cmp</literal>.
1634 <programlisting>
1635   min :: [a] -> a
1636   min  = let ?cmp = (<=) in least
1637 </programlisting>
1638 </para>
1639 <para>
1640 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
1641 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
1642 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
1643 or a <literal>where</literal> clause.
1644 Note the following points:
1645 <itemizedlist>
1646 <listitem><para>
1647 An implicit-parameter binding group must be a
1648 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
1649 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
1650 neither polymorphic or recursive.  
1651 </para></listitem>
1652 <listitem><para>
1653 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
1654 single <literal>let</literal>
1655 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
1656 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
1657 </para></listitem>
1658
1659 <listitem><para>
1660 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
1661 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
1662 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
1663 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
1664 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
1665 the meaning of the program.
1666 For example, consider:
1667 <programlisting>
1668   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
1669 </programlisting>
1670 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
1671 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
1672 <programlisting>
1673   f :: (?x::Int) => Int -> Int
1674 </programlisting>
1675 </para></listitem>
1676 </itemizedlist>
1677 </para>
1678
1679 </sect3>
1680 </sect2>
1681
1682 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
1683 <title>Linear implicit parameters
1684 </title>
1685 <para>
1686 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1687 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1688 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1689 </para>
1690 <itemizedlist>
1691 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1692 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1693 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1694 </itemizedlist>
1695
1696 <para>
1697 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1698 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1699 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1700 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1701 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1702 </para>
1703 <para>
1704 For example:
1705 <programlisting>
1706     import GHC.Exts( Splittable )
1707
1708     data NameSupply = ...
1709     
1710     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1711     newName :: NameSupply -> Name
1712
1713     instance Splittable NameSupply where
1714         split = splitNS
1715
1716
1717     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1718     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1719                     where
1720                       x'   = newName %ns
1721                       env' = extend env x x'
1722     ...more equations for f...
1723 </programlisting>
1724 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1725 <itemizedlist>
1726 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1727 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1728 </itemizedlist>
1729 </para>
1730 <para>
1731 So the translation done by the type checker makes
1732 the parameter explicit:
1733 <programlisting>
1734     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1735     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1736                        where
1737                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1738                          x' = newName ns2
1739                          env = extend env x x'
1740 </programlisting>
1741 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1742 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1743 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1744 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
1745 <programlisting>
1746         class Splittable a where
1747           split :: a -> (a,a)
1748 </programlisting>
1749 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1750 split for name supplies.  But we can simply write
1751 <programlisting>
1752         g x = (x, %ns, %ns)
1753 </programlisting>
1754 and GHC will infer
1755 <programlisting>
1756         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1757 </programlisting>
1758 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1759 <literal>GHC.Exts</literal>.
1760 </para>
1761 <para>
1762 Other points:
1763 <itemizedlist>
1764 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1765 are entirely distinct implicit parameters: you 
1766   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1767 </listitem>
1768
1769 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1770
1771 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1772   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1773 </itemizedlist>
1774 </para>
1775
1776 <sect3><title>Warnings</title>
1777
1778 <para>
1779 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1780 Consider the example above:
1781 <programlisting>
1782     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1783     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1784                     where
1785                       x'   = newName %ns
1786                       env' = extend env x x'
1787 </programlisting>
1788 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1789 usually a harmless thing to do, we get:
1790 <programlisting>
1791     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1792     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1793                     where
1794                       env' = extend env x (newName %ns)
1795 </programlisting>
1796 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1797 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1798 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1799 the beta rule.
1800 </para>
1801 <para>
1802 Well, this is an experimental change.  With implicit
1803 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1804 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1805 Haskell programs without knowing their typing.
1806 </para>
1807
1808 </sect3>
1809
1810 <sect3><title>Recursive functions</title>
1811 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
1812 Consider
1813 <programlisting>
1814         foo :: %x::T => Int -> [Int]
1815         foo 0 = []
1816         foo n = %x : foo (n-1)
1817 </programlisting>
1818 where T is some type in class Splittable.</para>
1819 <para>
1820 Do you get a list of all the same T's or all different T's
1821 (assuming that split gives two distinct T's back)?
1822 </para><para>
1823 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
1824 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
1825 translated term, where the implicit param is made explicit:
1826 <programlisting>
1827         foo x 0 = []
1828         foo x n = let (x1,x2) = split x
1829                   in x1 : foo x2 (n-1)
1830 </programlisting>
1831 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
1832 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
1833 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
1834 work.  So the translation becomes
1835 <programlisting>
1836         foo x = let
1837                   foom 0 = []
1838                   foom n = x : foom (n-1)
1839                 in
1840                 foom
1841 </programlisting>
1842 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
1843 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
1844 Yikes!
1845 </para><para>
1846 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
1847 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
1848 </para>
1849 </sect3>
1850
1851 </sect2>
1852
1853 <sect2 id="functional-dependencies">
1854 <title>Functional dependencies
1855 </title>
1856
1857 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1858 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1859 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1860 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1861 .
1862 </para>
1863
1864 <para>
1865 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1866 </para>
1867 </sect2>
1868
1869
1870 <sect2 id="universal-quantification">
1871 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1872 </title>
1873
1874 <para>
1875 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1876 allows us to say exactly what this means.  For example:
1877 </para>
1878 <para>
1879 <programlisting>
1880         g :: b -> b
1881 </programlisting>
1882 means this:
1883 <programlisting>
1884         g :: forall b. (b -> b)
1885 </programlisting>
1886 The two are treated identically.
1887 </para>
1888
1889 <para>
1890 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1891 explicit universal quantification in
1892 types. 
1893 For example, all the following types are legal:
1894 <programlisting>
1895     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1896     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1897
1898     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1899     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1900
1901     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1902 </programlisting>
1903 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1904 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1905 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1906 is implicitly added by Haskell.
1907 </para>
1908 <para>
1909 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1910 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1911 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1912 </para>
1913 <para>
1914 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1915 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1916 </para>
1917 <para>
1918 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1919 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1920 that restriction has now been lifted.)
1921 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1922 including an operational type class context, is legal:
1923 <itemizedlist>
1924 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1925 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1926 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1927 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1928 field type signatures.</para> </listitem>
1929 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1930 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1931 </itemizedlist>
1932 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1933 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1934 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1935 <programlisting>
1936     x1 :: [forall a. a->a]
1937     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1938     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1939 </programlisting>
1940 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1941 a type variable any more!
1942 </para>
1943
1944
1945 <sect3 id="univ">
1946 <title>Examples
1947 </title>
1948
1949 <para>
1950 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1951 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1952 </para>
1953
1954 <para>
1955
1956 <programlisting>
1957 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1958
1959 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1960                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1961                         }
1962
1963 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1964 </programlisting>
1965
1966 </para>
1967
1968 <para>
1969 The constructors have rank-2 types:
1970 </para>
1971
1972 <para>
1973
1974 <programlisting>
1975 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1976 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1977                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1978                   -> MonadT m
1979 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1980 </programlisting>
1981
1982 </para>
1983
1984 <para>
1985 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1986 explicit context.  For example in the first argument of the
1987 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1988 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1989 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1990 mentioned in the type quantified over.
1991 </para>
1992
1993 <para>
1994 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1995 types too.  So if you write this:
1996
1997 <programlisting>
1998   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1999 </programlisting>
2000
2001 it's just as if you had written this:
2002
2003 <programlisting>
2004   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2005 </programlisting>
2006
2007 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2008 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2009 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2010 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2011 </para>
2012
2013 <para>
2014 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2015 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2016 </para>
2017
2018 <para>
2019
2020 <programlisting>
2021     a1 :: T Int
2022     a1 = T1 (\xy->x) 3
2023     
2024     a2, a3 :: Swizzle
2025     a2 = MkSwizzle sort
2026     a3 = MkSwizzle reverse
2027     
2028     a4 :: MonadT Maybe
2029     a4 = let r x = Just x
2030              b m k = case m of
2031                        Just y -> k y
2032                        Nothing -> Nothing
2033          in
2034          MkMonad r b
2035
2036     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2037     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2038 </programlisting>
2039
2040 </para>
2041
2042 <para>
2043 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2044 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2045 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2046 </para>
2047
2048 <para>
2049 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2050 polymorphic types.  For example:
2051 </para>
2052
2053 <para>
2054
2055 <programlisting>
2056     f :: T a -> a -> (a, Char)
2057     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2058
2059     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2060     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2061
2062     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2063     h m [] = return m []
2064     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2065                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2066                  return m (y:ys)
2067 </programlisting>
2068
2069 </para>
2070
2071 <para>
2072 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2073 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2074 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2075 matching.
2076 </para>
2077 </sect3>
2078
2079 <sect3>
2080 <title>Type inference</title>
2081
2082 <para>
2083 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
2084 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2085 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2086 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2087 </para>
2088 <para>
2089 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2090 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2091 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2092 </para>
2093 <para>
2094 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2095 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2096 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
2097 <programlisting>
2098      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2099 </programlisting>
2100 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2101 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2102 <programlisting>
2103      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2104 </programlisting>
2105 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2106 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2107 one can give a type signature for the function itself:
2108 <programlisting>
2109      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2110      h f = (f True, f 'c')
2111 </programlisting>
2112 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2113 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2114 <programlisting>
2115     f :: T a -> a -> (a, Char)
2116     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2117 </programlisting>
2118 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2119 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2120 it needs to know.
2121 </para>
2122
2123 </sect3>
2124
2125
2126 <sect3 id="implicit-quant">
2127 <title>Implicit quantification</title>
2128
2129 <para>
2130 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2131 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2132 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2133 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2134 equivalent:
2135 <programlisting>
2136   f :: a -> a
2137   f :: forall a. a -> a
2138
2139   g (x::a) = let
2140                 h :: a -> b -> b
2141                 h x y = y
2142              in ...
2143   g (x::a) = let
2144                 h :: forall b. a -> b -> b
2145                 h x y = y
2146              in ...
2147 </programlisting>
2148 </para>
2149 <para>
2150 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2151 point.  For example:
2152 <programlisting>
2153   f :: (a -> a) -> Int
2154            -- MEANS
2155   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2156            -- NOT
2157   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2158
2159
2160   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2161            -- MEANS the illegal type
2162   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2163            -- NOT
2164   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2165 </programlisting>
2166 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2167 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2168 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2169 for rank-2 types.
2170 </para>
2171 </sect3>
2172 </sect2>
2173
2174 <sect2 id="type-synonyms">
2175 <title>Liberalised type synonyms 
2176 </title>
2177
2178 <para>
2179 Type synonmys are like macros at the type level, and
2180 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
2181 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
2182 <itemizedlist>
2183 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
2184 in a type synonym, thus:
2185 <programlisting>
2186   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
2187
2188   f :: Discard a
2189   f x y = (x, show y)
2190
2191   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
2192   g f = f Int True
2193 </programlisting>
2194 </para>
2195 </listitem>
2196
2197 <listitem><para>
2198 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
2199 <programlisting>
2200   type Pr = (# Int, Int #)
2201
2202   h :: Int -> Pr
2203   h x = (# x, x #)
2204 </programlisting>
2205 </para></listitem>
2206
2207 <listitem><para>
2208 You can apply a type synonym to a forall type:
2209 <programlisting>
2210   type Foo a = a -> a -> Bool
2211  
2212   f :: Foo (forall b. b->b)
2213 </programlisting>
2214 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
2215 <programlisting>
2216   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
2217 </programlisting>
2218 </para></listitem>
2219
2220 <listitem><para>
2221 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
2222 <programlisting>
2223   type Generic i o = forall x. i x -> o x
2224   type Id x = x
2225   
2226   foo :: Generic Id []
2227 </programlisting>
2228 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
2229 <programlisting>
2230   foo :: forall x. x -> [x]
2231 </programlisting>
2232 </para></listitem>
2233
2234 </itemizedlist>
2235 </para>
2236
2237 <para>
2238 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
2239 could be changed.)
2240 </para>
2241 <para>
2242 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
2243 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
2244 <itemizedlist>
2245 <listitem><para>
2246 Type constructor applied to a type involving for-alls.
2247 </para></listitem>
2248 <listitem><para>
2249 Unboxed tuple on left of an arrow.
2250 </para></listitem>
2251 <listitem><para>
2252 Partially-applied type synonym.
2253 </para></listitem>
2254 </itemizedlist>
2255 So, for example,
2256 this will be rejected:
2257 <programlisting>
2258   type Pr = (# Int, Int #)
2259
2260   h :: Pr -> Int
2261   h x = ...
2262 </programlisting>
2263 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
2264 </para>
2265 </sect2>
2266
2267 <sect2 id="hoist">
2268 <title>For-all hoisting</title>
2269 <para>
2270 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
2271 end of an arrow, thus:
2272 <programlisting>
2273   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2274
2275   g :: Int -> Discard Int
2276   g x y z = x+y
2277 </programlisting>
2278 Simply expanding the type synonym would give
2279 <programlisting>
2280   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2281 </programlisting>
2282 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2283 <programlisting>
2284   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2285 </programlisting>
2286 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2287 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2288 performs the transformation:</emphasis>
2289 <programlisting>
2290   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2291 ==>
2292   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2293 </programlisting>
2294 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2295 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2296 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2297 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2298 <programlisting>
2299   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2300 </programlisting>
2301 </para>
2302 <para>
2303 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2304 example:
2305 <programlisting>
2306   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2307   g :: Foo (Foo Int)
2308 </programlisting>
2309 means
2310 <programlisting>
2311   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2312 </programlisting>
2313 </para>
2314 </sect2>
2315
2316
2317 <sect2 id="existential-quantification">
2318 <title>Existentially quantified data constructors
2319 </title>
2320
2321 <para>
2322 The idea of using existential quantification in data type declarations
2323 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
2324 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
2325 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
2326 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2327 </para>
2328
2329 <para>
2330
2331 <programlisting>
2332   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2333            | Nil
2334 </programlisting>
2335
2336 </para>
2337
2338 <para>
2339 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2340 </para>
2341
2342 <para>
2343
2344 <programlisting>
2345   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2346   Nil   :: Foo
2347 </programlisting>
2348
2349 </para>
2350
2351 <para>
2352 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2353 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2354 For example, the following expression is fine:
2355 </para>
2356
2357 <para>
2358
2359 <programlisting>
2360   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2361 </programlisting>
2362
2363 </para>
2364
2365 <para>
2366 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2367 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2368 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2369 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2370 </para>
2371
2372 <para>
2373 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2374 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2375 </para>
2376
2377 <para>
2378
2379 <programlisting>
2380   f (MkFoo val fn) = ???
2381 </programlisting>
2382
2383 </para>
2384
2385 <para>
2386 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2387 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2388 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2389 </para>
2390
2391 <para>
2392
2393 <programlisting>
2394   f :: Foo -> Bool
2395   f (MkFoo val fn) = fn val
2396 </programlisting>
2397
2398 </para>
2399
2400 <para>
2401 What this allows us to do is to package heterogenous values
2402 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2403 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2404 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2405 </para>
2406
2407 <sect3 id="existential">
2408 <title>Why existential?
2409 </title>
2410
2411 <para>
2412 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2413 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2414 </para>
2415
2416 <para>
2417
2418 <programlisting>
2419   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2420 </programlisting>
2421
2422 </para>
2423
2424 <para>
2425 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2426 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2427 adding a new existential quantification construct.
2428 </para>
2429
2430 </sect3>
2431
2432 <sect3>
2433 <title>Type classes</title>
2434
2435 <para>
2436 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
2437 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2438 </para>
2439
2440 <para>
2441
2442 <programlisting>
2443 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2444          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2445 </programlisting>
2446
2447 </para>
2448
2449 <para>
2450 The two constructors have the types you'd expect:
2451 </para>
2452
2453 <para>
2454
2455 <programlisting>
2456 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2457 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2458 </programlisting>
2459
2460 </para>
2461
2462 <para>
2463 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2464 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2465 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2466 So this program is legal:
2467 </para>
2468
2469 <para>
2470
2471 <programlisting>
2472   f :: Baz -> String
2473   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2474                | otherwise = "No"
2475   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2476 </programlisting>
2477
2478 </para>
2479
2480 <para>
2481 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2482 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2483 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2484 extract it on pattern matching.
2485 </para>
2486
2487 <para>
2488 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
2489 universal quantification earlier.
2490 </para>
2491
2492 </sect3>
2493
2494 <sect3>
2495 <title>Restrictions</title>
2496
2497 <para>
2498 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2499 constructors can be use.
2500 </para>
2501
2502 <para>
2503
2504 <itemizedlist>
2505 <listitem>
2506
2507 <para>
2508  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2509 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2510 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2511 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2512
2513
2514 <programlisting>
2515 f1 (MkFoo a f) = a
2516 </programlisting>
2517
2518
2519 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2520 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2521 ask what type <function>f1</function> has:
2522
2523
2524 <programlisting>
2525   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2526 </programlisting>
2527
2528
2529 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2530 this:
2531
2532
2533 <programlisting>
2534   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2535 </programlisting>
2536
2537
2538 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2539
2540
2541 <programlisting>
2542   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2543 </programlisting>
2544
2545
2546 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2547 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2548 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2549
2550
2551 </para>
2552 </listitem>
2553 <listitem>
2554
2555 <para>
2556 You can't pattern-match on an existentially quantified
2557 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2558 bindings. So this is illegal:
2559
2560
2561 <programlisting>
2562   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2563 </programlisting>
2564
2565 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2566
2567 <programlisting>
2568   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2569 </programlisting>
2570
2571 In general, you can only pattern-match
2572 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2573 in the patterns of a function definition.
2574
2575 The reason for this restriction is really an implementation one.
2576 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2577 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2578 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2579 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2580 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2581 annoying it is.
2582
2583 </para>
2584 </listitem>
2585 <listitem>
2586
2587 <para>
2588 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2589 declarations.  So this is illegal:
2590
2591
2592 <programlisting>
2593   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2594 </programlisting>
2595
2596
2597 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2598 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2599 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2600 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2601 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2602 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2603 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2604 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2605 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2606 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2607 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2608
2609
2610 </para>
2611 </listitem>
2612 <listitem>
2613
2614 <para>
2615  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2616 data type with existentially quantified data constructors.
2617
2618 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2619
2620 <programlisting>
2621 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2622 </programlisting>
2623
2624 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2625 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2626
2627 <programlisting>
2628 instance Eq T where
2629   (MkT a) == (MkT b) = ???
2630 </programlisting>
2631
2632 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2633 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2634 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2635 declarations.  Define your own instances!
2636 </para>
2637 </listitem>
2638
2639 </itemizedlist>
2640
2641 </para>
2642
2643 </sect3>
2644
2645 </sect2>
2646
2647 <sect2 id="scoped-type-variables">
2648 <title>Scoped type variables
2649 </title>
2650
2651 <para>
2652 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2653 variable</emphasis>.  For example
2654 </para>
2655
2656 <para>
2657
2658 <programlisting>
2659 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2660            where
2661               ys :: [a]
2662               ys = reverse xs
2663 </programlisting>
2664
2665 </para>
2666
2667 <para>
2668 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2669 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2670 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2671 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2672 </para>
2673
2674 <para>
2675  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2676 type signatures.  The two can be used independently or together.
2677 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2678 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2679 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2680 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2681 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2682 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2683 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2684 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2685 it becomes possible to do so.
2686 </para>
2687
2688 <para>
2689 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2690 implementations differ from the specification below, those differences
2691 are noted.
2692 </para>
2693
2694 <para>
2695 So much for the basic idea.  Here are the details.
2696 </para>
2697
2698 <sect3>
2699 <title>What a pattern type signature means</title>
2700 <para>
2701 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2702 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2703 of the same name mean the same type.  For example:
2704 <programlisting>
2705   f :: [Int] -> Int -> Int
2706   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2707 </programlisting>
2708 The pattern type signatures on the left hand side of
2709 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2710 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2711 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2712 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2713 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2714 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2715 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2716 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2717 For example, all of these are legal:</para>
2718
2719 <programlisting>
2720   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2721
2722   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2723
2724   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2725
2726   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2727         in k x                  -- environment
2728
2729   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2730   k (x::Int) False = ...
2731
2732   w :: [b] -> [b]
2733   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2734 </programlisting>
2735
2736 </sect3>
2737
2738 <sect3>
2739 <title>Scope and implicit quantification</title>
2740
2741 <para>
2742
2743 <itemizedlist>
2744 <listitem>
2745
2746 <para>
2747 All the type variables mentioned in a pattern,
2748 that are not already in scope,
2749 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2750 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2751 For example:
2752 <programlisting>
2753   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2754              in
2755              g (x,True)
2756 </programlisting>
2757 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2758 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2759 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2760 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2761 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2762 </para>
2763 </listitem>
2764
2765 <listitem>
2766 <para>
2767 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2768 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2769 <programlisting>
2770   let
2771     f (x::a) = <...rhs of f...>
2772     (p::b, q::b) = (1,2)
2773   in <...body of let...>
2774 </programlisting>
2775 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2776 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2777 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2778 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2779 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2780 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2781 </para>
2782 </listitem>
2783
2784
2785 <listitem>
2786 <para>
2787 The type variables bound by the pattern may be 
2788 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2789 type signatures anywhere within their scope.
2790
2791 </para>
2792 </listitem>
2793
2794 <listitem>
2795 <para>
2796  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2797 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2798
2799 </para>
2800 </listitem>
2801
2802 <listitem>
2803
2804 <para>
2805  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2806 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2807
2808 <programlisting>
2809   f :: a -> a
2810   f x = x::a
2811 </programlisting>
2812
2813 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2814 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2815 and that is an incorrect typing.
2816
2817 </para>
2818 </listitem>
2819
2820 <listitem>
2821 <para>
2822 The pattern type signature is a monotype:
2823 </para>
2824
2825 <itemizedlist>
2826 <listitem> <para> 
2827 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2828 </para> </listitem>
2829
2830 <listitem>  <para> 
2831 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2832 not to type schemes.
2833 </para> </listitem>
2834
2835 <listitem>  <para> 
2836 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2837 ordinary type signatures).
2838 </para> </listitem>
2839
2840 </itemizedlist>
2841
2842 </listitem>
2843
2844 <listitem>
2845 <para>
2846
2847 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2848 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2849
2850
2851 <programlisting>
2852   class C a where
2853     op :: [a] -> a
2854
2855     op xs = let ys::[a]
2856                 ys = reverse xs
2857             in
2858             head ys
2859 </programlisting>
2860
2861
2862 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2863 </para>
2864 </listitem>
2865
2866 </itemizedlist>
2867
2868 </para>
2869
2870 </sect3>
2871
2872 <sect3>
2873 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2874
2875 <para>
2876 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2877 <itemizedlist>
2878
2879 <listitem>
2880 <para>
2881 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2882 ust on a variable:
2883
2884
2885 <programlisting>
2886   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2887 </programlisting>
2888
2889
2890 </para>
2891 </listitem>
2892 <listitem>
2893
2894 <para>
2895  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2896 in lambda abstractions:
2897
2898 <programlisting>
2899   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2900 </programlisting>
2901 </para>
2902 </listitem>
2903 <listitem>
2904
2905 <para>
2906  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2907 in <literal>case</literal> expressions:
2908
2909
2910 <programlisting>
2911   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2912 </programlisting>
2913
2914 </para>
2915 </listitem>
2916
2917 <listitem>
2918 <para>
2919 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2920 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2921 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2922 consider how one would parse this:
2923
2924
2925 <programlisting>
2926   \ x :: a -> b -> x
2927 </programlisting>
2928
2929
2930 </para>
2931 </listitem>
2932
2933 <listitem>
2934
2935 <para>
2936  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2937 For example:
2938
2939
2940 <programlisting>
2941   data T = forall a. MkT [a]
2942
2943   f :: T -> T
2944   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2945                  where
2946                    t3::[a] = [t,t,t]
2947 </programlisting>
2948
2949
2950 </para>
2951 </listitem>
2952
2953
2954 <listitem>
2955
2956 <para>
2957 Pattern type signatures 
2958 can be used in pattern bindings:
2959
2960 <programlisting>
2961   f x = let (y, z::a) = x in ...
2962   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2963   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2964   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2965 </programlisting>
2966
2967 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2968 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2969 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2970 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2971 In contrast, the binding
2972 <programlisting>
2973   f4 :: b->b
2974   f4 = \x -> x
2975 </programlisting>
2976 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2977 in <literal>f4</literal>'s scope.
2978
2979 </para>
2980 </listitem>
2981 </itemizedlist>
2982 </para>
2983
2984 </sect3>
2985
2986 <sect3>
2987 <title>Result type signatures</title>
2988
2989 <para>
2990 The result type of a function can be given a signature, thus:
2991
2992
2993 <programlisting>
2994   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2995 </programlisting>
2996
2997
2998 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2999 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3000 you want:
3001
3002
3003 <programlisting>
3004   f :: Int -> [a] -> [a]
3005   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3006                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3007 </programlisting>
3008
3009 </para>
3010 <para>
3011 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3012 of the definition. However, consider this corner-case:
3013 <programlisting>
3014   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3015
3016   foo ys = rev (ys::[a])
3017 </programlisting>
3018 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3019 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3020 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3021 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3022 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3023 </para>
3024 <para>
3025 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3026 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3027 is polymorphic:
3028 <programlisting>
3029   rev1 :: [b] -> [b]
3030   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3031 </programlisting>
3032 </para>
3033
3034 <para>
3035 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3036 </para>
3037
3038 </sect3>
3039
3040 </sect2>
3041
3042 <sect2 id="newtype-deriving">
3043 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3044
3045 <para>
3046 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3047 the new type to inherit some instances from its representation. In
3048 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3049 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3050 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3051 example, if you define
3052
3053 <programlisting> 
3054   newtype Dollars = Dollars Int 
3055 </programlisting> 
3056
3057 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3058 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3059
3060 <programlisting> 
3061   instance Num Dollars where
3062     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3063     ...
3064 </programlisting>
3065 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3066 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3067 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3068 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3069 dictionary, only slower!
3070 </para>
3071
3072
3073 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3074 <para>
3075 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3076 <programlisting> 
3077   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3078 </programlisting> 
3079
3080 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3081 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3082 derives an instance declaration of the form
3083
3084 <programlisting> 
3085   instance Num Int => Num Dollars
3086 </programlisting> 
3087
3088 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3089 </para>
3090 <para>
3091
3092 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3093 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3094 transformers, such that
3095
3096 <programlisting> 
3097   instance Monad m => Monad (State s m) 
3098   instance Monad m => Monad (Failure m)
3099 </programlisting> 
3100 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3101 <programlisting> 
3102   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3103 </programlisting> 
3104
3105 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3106 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3107 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3108
3109 <programlisting> 
3110   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3111                          deriving Monad
3112 </programlisting>
3113 In this case the derived instance declaration is of the form 
3114 <programlisting> 
3115   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3116 </programlisting> 
3117
3118 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3119 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3120 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3121 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3122 declaration.
3123 </para>
3124 <para>
3125
3126 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3127 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3128 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3129 clause. For example, given the class
3130
3131 <programlisting> 
3132   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3133   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3134 </programlisting> 
3135 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3136 <programlisting> 
3137   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3138                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3139 </programlisting>
3140
3141 The derived instance is obtained by completing the application of the
3142 class to the new type:
3143
3144 <programlisting> 
3145   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3146            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3147 </programlisting>
3148 </para>
3149 <para>
3150
3151 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3152 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3153 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3154 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3155 the newtype and its representation.
3156 </para>
3157 </sect3>
3158
3159 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3160 <para>
3161 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3162 declaration (after expansion of any type synonyms)
3163
3164 <programlisting> 
3165   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3166 </programlisting> 
3167
3168 where 
3169  <itemizedlist>
3170 <listitem><para>
3171   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3172 </para></listitem>
3173 <listitem><para>
3174   <literal>t1...tk</literal> are types,
3175 </para></listitem>
3176 <listitem><para>
3177   <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3178   the <literal>ti</literal>, and
3179 </para></listitem>
3180 <listitem><para>
3181   the <literal>ci</literal> are partial applications of
3182   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3183   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3184 </para></listitem>
3185 </itemizedlist>
3186 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3187 declaration is:
3188 <programlisting> 
3189   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3190 </programlisting>
3191 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3192 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3193 </para>
3194 <para>
3195
3196 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3197 <programlisting> 
3198   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3199 </programlisting> 
3200 Here we cannot derive the instance 
3201 <programlisting> 
3202   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3203 </programlisting> 
3204
3205 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3206 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3207 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3208 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3209 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3210 </para>
3211 <para>
3212
3213 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3214 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3215 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3216
3217 <programlisting> 
3218   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3219 </programlisting>
3220
3221 then we would not have been able to derive an instance for the
3222 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3223 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3224 instances is most interesting.
3225 </para>
3226 </sect3>
3227
3228 </sect2>
3229
3230
3231 </sect1>
3232 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3233   
3234 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3235
3236 <sect1 id="template-haskell">
3237 <title>Template Haskell</title>
3238
3239 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  The background 
3240 the main technical innovations are discussed in "<ulink
3241 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3242 Template Meta-programming for Haskell</ulink>", in 
3243 Proc Haskell Workshop 2002.
3244 </para>
3245
3246 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3247 </para>
3248
3249 <para>
3250 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3251 Tim Sheard is going to expand it.)
3252 </para>
3253
3254 <sect2>  <title> Syntax </title>
3255 <para>
3256     Template Haskell has the following new syntactic constructions.  You need to use the flag  
3257                 <literal>-fglasgow-exts</literal> to switch these syntactic extensions on.
3258
3259         <itemizedlist>
3260               <listitem><para>
3261                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3262                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3263                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3264                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3265                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3266                   </para>
3267               <para> A splice can occur in place of 
3268                   <itemizedlist>
3269                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must have type <literal>Expr</literal></para></listitem>
3270                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3271                     <listitem><para> a type; the spliced expression must have type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3272                     </itemizedlist>
3273            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3274         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3275         as in the paper.)
3276                 </para></listitem>
3277
3278
3279               <listitem><para>
3280                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3281                   <itemizedlist>
3282                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3283                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3284                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3285                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3286                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3287                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3288                   </itemizedlist></para></listitem>
3289
3290               <listitem><para>
3291                   Reification is written thus:
3292                   <itemizedlist>
3293                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3294                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3295                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3296                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3297                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3298                     
3299                   </itemizedlist></para>
3300                 </listitem>
3301
3302                   
3303         </itemizedlist>
3304 </para>
3305 </sect2>
3306
3307 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3308 <para>
3309 <itemizedlist>
3310     <listitem><para>
3311     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3312     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3313     </para></listitem>
3314
3315     <listitem><para>
3316     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3317             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3318             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3319    </para></listitem>
3320
3321     <listitem><para>
3322             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3323    </para></listitem>
3324     <listitem><para>
3325             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3326               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3327               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3328               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3329               those of the compiler itself.
3330    </para></listitem>
3331 </itemizedlist>
3332 </para>
3333 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3334         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3335         has been lifted.
3336 </para>
3337 </sect2>
3338  
3339 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3340 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3341   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3342
3343 <programlisting>
3344 {- Main.hs -}
3345 module Main where
3346
3347 -- Import our template "pr"
3348 import Printf ( pr )
3349
3350 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3351 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3352 -- the argument of "putStrLn".
3353 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3354 </programlisting>
3355
3356 <programlisting>
3357 {- Printf.hs -}
3358 module Printf where
3359
3360 -- Skeletal printf from the paper.
3361 -- It needs to be in a separate module to the one where
3362 -- you intend to use it.
3363
3364 -- Import some Template Haskell syntax
3365 import Language.Haskell.THSyntax
3366
3367 -- Describe a format string
3368 data Format = D | S | L String
3369
3370 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3371 -- as we are here interested in building our first ever
3372 -- Template Haskell program and not in building printf.
3373 parse :: String -> [Format]
3374 parse s   = [ L s ]
3375
3376 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3377 -- of the format string.  This code will be spliced into
3378 -- the module which calls "pr", at compile time.
3379 gen :: [Format] -> Expr
3380 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3381 gen [S]   = [| \s -> s |]
3382 gen [L s] = string s
3383
3384 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3385 -- from an input format string.
3386 pr :: String -> Expr
3387 pr s      = gen (parse s)
3388 </programlisting>
3389
3390 <para>Now run the compiler (here we are using a "stage three" build of GHC, at a Cygwin prompt on Windows):
3391 </para>
3392 <programlisting>
3393 ghc/compiler/stage3/ghc-inplace --make -fglasgow-exts -package haskell-src main.hs -o main.exe
3394 </programlisting>
3395
3396 <para>Run "main.exe" and here is your output:
3397 </para>
3398
3399 <programlisting>
3400 $ ./main
3401 Hello
3402 </programlisting>
3403
3404 </sect2>
3405  
3406 </sect1>
3407
3408 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
3409
3410 <sect1 id="sec-assertions">
3411 <title>Assertions
3412 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
3413 </title>
3414
3415 <para>
3416 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
3417 could define a function like the following:
3418 </para>
3419
3420 <para>
3421
3422 <programlisting>
3423 assert :: Bool -> a -> a
3424 assert False x = error "assertion failed!"
3425 assert _     x = x
3426 </programlisting>
3427
3428 </para>
3429
3430 <para>
3431 which works, but gives you back a less than useful error message --
3432 an assertion failed, but which and where?
3433 </para>
3434
3435 <para>
3436 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
3437 takes a descriptive string to include in the error message and
3438 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
3439 the source location where <function>assert</function> was used.
3440 </para>
3441
3442 <para>
3443 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
3444 use of <function>assert</function> in the user's source:
3445 </para>
3446
3447 <para>
3448
3449 <programlisting>
3450 kelvinToC :: Double -> Double
3451 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
3452 </programlisting>
3453
3454 </para>
3455
3456 <para>
3457 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
3458 assertion was made,
3459 </para>
3460
3461 <para>
3462
3463 <programlisting>
3464 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
3465 </programlisting>
3466
3467 </para>
3468
3469 <para>
3470 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
3471 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
3472 can still define and use your own versions of
3473 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
3474 <literal>Control.Exception</literal> to make use
3475 <function>assert</function> in your code.
3476 </para>
3477
3478 <para>
3479 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
3480 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
3481 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
3482 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
3483 <literal>e</literal>.
3484 </para>
3485
3486 <para>
3487 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
3488 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
3489 </para>
3490
3491 </sect1>
3492
3493
3494 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
3495
3496   <sect1 id="pragmas">
3497     <title>Pragmas</title>
3498
3499     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
3500
3501     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
3502     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
3503     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
3504     of the generated code.</para>
3505
3506     <para>Pragmas all take the form
3507
3508 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
3509
3510     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
3511     pragma, and is followed optionally by information specific to that
3512     type of pragma.  Case is ignored in
3513     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
3514     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
3515     in the following sections; any pragma encountered with an
3516     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
3517     ignored.</para>
3518
3519 <sect2 id="inline-pragma">
3520 <title>INLINE pragma
3521
3522 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
3523 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
3524
3525 <para>
3526 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
3527 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
3528 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
3529 </para>
3530
3531 <para>
3532 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
3533 interface files.
3534 </para>
3535
3536 <para>
3537 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
3538 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
3539 use.
3540 </para>
3541
3542 <para>
3543 The sledgehammer you can bring to bear is the
3544 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
3545
3546 <programlisting>
3547 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
3548
3549 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3550 {-# INLINE key_function #-}
3551 #endif
3552 </programlisting>
3553
3554 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
3555 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
3556 </para>
3557
3558 <para>
3559 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
3560 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
3561 very keen to inline it.
3562 </para>
3563
3564 <para>
3565 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
3566 signature could be put.
3567 </para>
3568
3569 <para>
3570 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
3571 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
3572 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
3573
3574 <programlisting>
3575 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3576 {-# INLINE thenUs #-}
3577 {-# INLINE returnUs #-}
3578 #endif
3579 </programlisting>
3580
3581 </para>
3582
3583 </sect2>
3584
3585 <sect2 id="noinline-pragma">
3586 <title>NOINLINE pragma
3587 </title>
3588
3589 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
3590 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
3591 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
3592 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
3593
3594 <para>
3595 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
3596 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
3597 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
3598 size.
3599 </para>
3600
3601 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
3602 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
3603 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
3604 used if you want your code to be portable).</para>
3605
3606 </sect2>
3607
3608     <sect2 id="specialize-pragma">
3609       <title>SPECIALIZE pragma</title>
3610
3611       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3612       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
3613       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3614
3615       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
3616       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
3617       specialised to particular types.  Thus, if you have an
3618       overloaded function:</para>
3619
3620 <programlisting>
3621 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
3622 </programlisting>
3623
3624       <para>If it is heavily used on lists with
3625       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
3626       follows:</para>
3627
3628 <programlisting>
3629 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
3630 </programlisting>
3631
3632       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
3633       be put anywhere its type signature could be put.</para>
3634
3635       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
3636       to use for the specialised value, as in:</para>
3637
3638 <programlisting>
3639 {-# RULES "hammeredLookup" hammeredLookup = blah #-}
3640 </programlisting>
3641
3642       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
3643       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
3644       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
3645       Responsibility</emphasis> to make sure that
3646       <function>blah</function> really behaves as a specialised
3647       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
3648
3649       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
3650       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
3651       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
3652       <xref linkend="rules"> for more information on
3653       <literal>RULES</literal>.</para>
3654
3655       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
3656       specialisation will Win Big:
3657
3658 <programlisting>
3659 toDouble :: Real a => a -> Double
3660 toDouble = fromRational . toRational
3661
3662 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
3663 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
3664 </programlisting>
3665
3666       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
3667       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
3668       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
3669       comparison.</para>
3670
3671     </sect2>
3672
3673 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
3674 <title>SPECIALIZE instance pragma
3675 </title>
3676
3677 <para>
3678 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3679 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3680 Same idea, except for instance declarations.  For example:
3681
3682 <programlisting>
3683 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
3684    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
3685    ... usual stuff ...
3686  }
3687 </programlisting>
3688 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
3689 of the instance declaration.
3690 </para>
3691 <para>
3692 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
3693 of the pragma.
3694 </para>
3695
3696 </sect2>
3697
3698 <sect2 id="line-pragma">
3699 <title>LINE pragma
3700 </title>
3701
3702 <para>
3703 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
3704 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
3705 </para>
3706
3707 <para>
3708 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
3709 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
3710 number and filename of the original code; for example
3711 </para>
3712
3713 <para>
3714
3715 <programlisting>
3716 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
3717 </programlisting>
3718
3719 </para>
3720
3721 <para>
3722 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
3723 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
3724 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
3725 pragma.
3726 </para>
3727
3728 </sect2>
3729
3730 <sect2 id="rules">
3731 <title>RULES pragma</title>
3732
3733 <para>
3734 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
3735 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
3736 </para>
3737
3738 </sect2>
3739
3740 <sect2 id="deprecated-pragma">
3741 <title>DEPRECATED pragma</title>
3742
3743 <para>
3744 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
3745 There are two forms.  
3746 </para>
3747 <itemizedlist>
3748 <listitem><para>
3749 You can deprecate an entire module thus:</para>
3750 <programlisting>
3751    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
3752      ...
3753 </programlisting>
3754 <para>
3755 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
3756 the specified message.</para>
3757 </listitem>
3758
3759 <listitem>
3760 <para>
3761 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
3762 </para>
3763 <programlisting>
3764    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
3765 </programlisting>
3766 <para>
3767 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
3768 GHC will print the specified message.
3769 </para>
3770 </listitem>
3771 </itemizedlist>
3772 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
3773
3774 </sect2>
3775
3776 </sect1>
3777
3778 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
3779
3780 <sect1 id="rewrite-rules">
3781 <title>Rewrite rules
3782
3783 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
3784 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
3785 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
3786
3787 <para>
3788 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
3789 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
3790 </para>
3791
3792 <para>
3793 Here is an example:
3794
3795 <programlisting>
3796   {-# RULES
3797         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
3798   #-}
3799 </programlisting>
3800
3801 </para>
3802
3803 <sect2>
3804 <title>Syntax</title>
3805
3806 <para>
3807 From a syntactic point of view:
3808
3809 <itemizedlist>
3810 <listitem>
3811
3812 <para>
3813  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
3814 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
3815 </para>
3816 </listitem>
3817 <listitem>
3818
3819 <para>
3820  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3821 </para>
3822 </listitem>
3823 <listitem>
3824
3825 <para>
3826  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3827 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3828 enclosing definitions.
3829 </para>
3830 </listitem>
3831 <listitem>
3832
3833 <para>
3834  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3835 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3836 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3837 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3838 </para>
3839 </listitem>
3840 <listitem>
3841
3842 <para>
3843  A pattern variable may optionally have a type signature.
3844 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3845 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3846
3847 <programlisting>
3848 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3849               foldr k z (build g) = g k z
3850 </programlisting>
3851
3852 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3853
3854 </para>
3855 </listitem>
3856 <listitem>
3857
3858 <para>
3859 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3860 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3861
3862 <programlisting>
3863 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3864 "wrong2"   forall f.      f True = True
3865 </programlisting>
3866
3867 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3868 in the head.
3869 </para>
3870 </listitem>
3871 <listitem>
3872
3873 <para>
3874  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3875 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3876 </para>
3877 </listitem>
3878 <listitem>
3879
3880 <para>
3881  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3882 </para>
3883 </listitem>
3884
3885 </itemizedlist>
3886
3887 </para>
3888
3889 </sect2>
3890
3891 <sect2>
3892 <title>Semantics</title>
3893
3894 <para>
3895 From a semantic point of view:
3896
3897 <itemizedlist>
3898 <listitem>
3899
3900 <para>
3901 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3902 </para>
3903 </listitem>
3904
3905 <listitem>
3906 <para>
3907  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3908 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3909 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3910 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3911 expression by substituting for the pattern variables.
3912
3913 </para>
3914 </listitem>
3915 <listitem>
3916
3917 <para>
3918  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3919 same type.
3920
3921 </para>
3922 </listitem>
3923 <listitem>
3924
3925 <para>
3926  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3927 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3928 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3929
3930 </para>
3931 </listitem>
3932 <listitem>
3933
3934 <para>
3935  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3936 terminating.  For example:
3937
3938 <programlisting>
3939   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3940 </programlisting>
3941
3942 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3943
3944 </para>
3945 </listitem>
3946 <listitem>
3947
3948 <para>
3949  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3950
3951 </para>
3952 </listitem>
3953 <listitem>
3954 <para>
3955  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3956 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3957 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3958 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3959 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3960 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3961 </para>
3962
3963 <para>
3964 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3965 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3966 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3967 </para>
3968 </listitem>
3969 <listitem>
3970
3971 <para>
3972  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3973 For example, consider:
3974
3975 <programlisting>
3976   let s = map f
3977       t = map g
3978   in
3979   s (t xs)
3980 </programlisting>
3981
3982 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3983 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3984 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3985 not be substituted, and the rule would not fire.
3986
3987 </para>
3988 </listitem>
3989 <listitem>
3990
3991 <para>
3992  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3993 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3994 for something you can't match against it (given the simple minded
3995 matching).  So if you write the rule
3996
3997 <programlisting>
3998         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3999 </programlisting>
4000
4001 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
4002 It will only match something written with explicit use of ".".
4003 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
4004
4005 <programlisting>
4006 wibble f g xs
4007 </programlisting>
4008
4009 where <function>wibble</function> is defined:
4010
4011 <programlisting>
4012 wibble f g = map f . map g
4013 </programlisting>
4014
4015 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
4016
4017 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
4018 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
4019 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
4020
4021 </para>
4022 </listitem>
4023 <listitem>
4024
4025 <para>
4026  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
4027 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
4028 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
4029 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
4030 declarations.
4031 </para>
4032 </listitem>
4033
4034 </itemizedlist>
4035
4036 </para>
4037
4038 </sect2>
4039
4040 <sect2>
4041 <title>List fusion</title>
4042
4043 <para>
4044 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
4045 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
4046 intermediate list should be eliminated entirely.
4047 </para>
4048
4049 <para>
4050 The following are good producers:
4051
4052 <itemizedlist>
4053 <listitem>
4054
4055 <para>
4056  List comprehensions
4057 </para>
4058 </listitem>
4059 <listitem>
4060
4061 <para>
4062  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
4063 </para>
4064 </listitem>
4065 <listitem>
4066
4067 <para>
4068  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
4069 </para>
4070 </listitem>
4071 <listitem>
4072
4073 <para>
4074  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
4075 </para>
4076 </listitem>
4077 <listitem>
4078
4079 <para>
4080  <function>++</function>
4081 </para>
4082 </listitem>
4083
4084 <listitem>
4085 <para>
4086  <function>map</function>
4087 </para>
4088 </listitem>
4089
4090 <listitem>
4091 <para>
4092  <function>filter</function>
4093 </para>
4094 </listitem>
4095 <listitem>
4096
4097 <para>
4098  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
4099 </para>
4100 </listitem>
4101 <listitem>
4102
4103 <para>
4104  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
4105 </para>
4106 </listitem>
4107
4108 </itemizedlist>
4109
4110 </para>
4111
4112 <para>
4113 The following are good consumers:
4114
4115 <itemizedlist>
4116 <listitem>
4117
4118 <para>
4119  List comprehensions
4120 </para>
4121 </listitem>
4122 <listitem>
4123
4124 <para>
4125  <function>array</function> (on its second argument)
4126 </para>
4127 </listitem>
4128 <listitem>
4129
4130 <para>
4131  <function>length</function>
4132 </para>
4133 </listitem>
4134 <listitem>
4135
4136 <para>
4137  <function>++</function> (on its first argument)
4138 </para>
4139 </listitem>
4140
4141 <listitem>
4142 <para>
4143  <function>foldr</function>
4144 </para>
4145 </listitem>
4146
4147 <listitem>
4148 <para>
4149  <function>map</function>
4150 </para>
4151 </listitem>
4152 <listitem>
4153
4154 <para>
4155  <function>filter</function>
4156 </para>
4157 </listitem>
4158 <listitem>
4159
4160 <para>
4161  <function>concat</function>
4162 </para>
4163 </listitem>
4164 <listitem>
4165
4166 <para>
4167  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
4168 </para>
4169 </listitem>
4170 <listitem>
4171
4172 <para>
4173  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
4174 will fuse with one but not the other)
4175 </para>
4176 </listitem>
4177 <listitem>
4178
4179 <para>
4180  <function>partition</function>
4181 </para>
4182 </listitem>
4183 <listitem>
4184
4185 <para>
4186  <function>head</function>
4187 </para>
4188 </listitem>
4189 <listitem>
4190
4191 <para>
4192  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
4193 </para>
4194 </listitem>
4195 <listitem>
4196
4197 <para>
4198  <function>sequence&lowbar;</function>
4199 </para>
4200 </listitem>
4201 <listitem>
4202
4203 <para>
4204  <function>msum</function>
4205 </para>
4206 </listitem>
4207 <listitem>
4208
4209 <para>
4210  <function>sortBy</function>
4211 </para>
4212 </listitem>
4213
4214 </itemizedlist>
4215
4216 </para>
4217
4218 <para>
4219 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
4220
4221 <programlisting>
4222 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
4223 </programlisting>
4224
4225 </para>
4226
4227 <para>
4228 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
4229 a lot which are not included, please tell us.
4230 </para>
4231
4232 <para>
4233 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
4234 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
4235 </para>
4236
4237 </sect2>
4238
4239 <sect2 id="rule-spec">
4240 <title>Specialisation
4241 </title>
4242
4243 <para>
4244 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
4245 present in earlier version of GHC:
4246
4247 <programlisting>
4248   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
4249 </programlisting>
4250
4251 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
4252 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
4253 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
4254 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
4255 </para>
4256
4257 <para>
4258 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
4259 same thing:
4260
4261 <programlisting>
4262 {-# RULES
4263   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
4264 #-}
4265 </programlisting>
4266
4267 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
4268 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
4269 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
4270
4271 <programlisting>
4272 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
4273         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
4274 </programlisting>
4275
4276 What is more,
4277 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
4278 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
4279 have an original definition available to specialise).
4280 </para>
4281
4282 </sect2>
4283
4284 <sect2>
4285 <title>Controlling what's going on</title>
4286
4287 <para>
4288
4289 <itemizedlist>
4290 <listitem>
4291
4292 <para>
4293  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
4294 </para>
4295 </listitem>
4296 <listitem>
4297
4298 <para>
4299  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
4300 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
4301 </para>
4302 </listitem>
4303 <listitem>
4304
4305 <para>
4306  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
4307
4308 <programlisting>
4309         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
4310         {-# INLINE build #-}
4311         build g = g (:) []
4312 </programlisting>
4313
4314 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
4315 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
4316 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
4317 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
4318
4319 </para>
4320 </listitem>
4321 <listitem>
4322
4323 <para>
4324  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
4325 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
4326 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
4327 </para>
4328 </listitem>
4329
4330 </itemizedlist>
4331
4332 </para>
4333
4334 </sect2>
4335
4336 </sect1>
4337
4338 <sect1 id="generic-classes">
4339 <title>Generic classes</title>
4340
4341     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
4342     GHC 5.02).</para>
4343
4344 <para>
4345 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
4346 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
4347 An example will give the idea:
4348 </para>
4349
4350 <programlisting>
4351   import Generics
4352
4353   class Bin a where
4354     toBin   :: a -> [Int]
4355     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
4356   
4357     toBin {| Unit |}    Unit      = []
4358     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
4359     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
4360     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
4361   
4362     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
4363     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
4364     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
4365     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
4366                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
4367 </programlisting>
4368 <para>
4369 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
4370 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
4371 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
4372 </para>
4373 <programlisting>
4374   data Unit    = Unit
4375   data a :+: b = Inl a | Inr b
4376   data a :*: b = a :*: b
4377 </programlisting>
4378 <para>
4379 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
4380 <programlisting>
4381   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
4382   instance Bin a => Bin [a]
4383 </programlisting>
4384 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
4385 where clause and over-ride whichever methods you please.
4386 </para>
4387
4388     <sect2>
4389       <title> Using generics </title>
4390       <para>To use generics you need to</para>
4391       <itemizedlist>
4392         <listitem>
4393           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
4394                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
4395                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
4396                 available.  </para>
4397         </listitem>
4398         <listitem>
4399           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
4400           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
4401           scope the data types <literal>Unit</literal>,
4402           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
4403           don't need this import if you don't mention these types
4404           explicitly; for example, if you are simply giving instance
4405           declarations.)</para>
4406         </listitem>
4407       </itemizedlist>
4408     </sect2>
4409
4410 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
4411 <para>
4412 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
4413 can be written infix (indeed, you can now use
4414 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
4415 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
4416 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
4417 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
4418 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
4419 anticipate wanting).
4420 </para>
4421 </sect2>
4422
4423 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
4424 <para>
4425 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
4426 is one that is defined using type patterns as above.
4427 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
4428 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
4429 generic default method.
4430 </para>
4431
4432 <para>
4433 Restrictions:
4434 <itemizedlist>
4435 <listitem>
4436 <para>
4437 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
4438 field labels.
4439 </para>
4440 </listitem>
4441
4442 <listitem>
4443 <para>
4444 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
4445 multi-parameter class.
4446 </para>
4447 </listitem>
4448
4449 <listitem>
4450 <para>
4451 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
4452 without.  So this is illegal:
4453 <programlisting>
4454   class Foo a where
4455     op :: a -> (a, Bool)
4456     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
4457     op x               = (x,    False)
4458 </programlisting>
4459 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
4460 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
4461 </para>
4462 </listitem>
4463
4464 <listitem>
4465 <para>
4466 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
4467 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:
4468 <programlisting>
4469   class Foo a where
4470     op :: a -> Bool
4471     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
4472     ...
4473 </programlisting>
4474 </para>
4475 </listitem>
4476
4477 <listitem>
4478 <para>
4479 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
4480 <programlisting>
4481        a :+: b
4482        a :*: b
4483        Unit
4484 </programlisting>
4485 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
4486 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
4487 must use the same type variables.  So this is illegal:
4488 <programlisting>
4489   class Foo a where
4490     op :: a -> Bool
4491     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
4492     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
4493 </programlisting>
4494 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
4495 So this too is illegal:
4496 <programlisting>
4497   class Foo a where
4498     op1 :: a -> Bool
4499     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
4500
4501     op2 :: a -> Bool
4502     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
4503 </programlisting>
4504 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
4505 into a single generic instance declaration.)
4506 </para>
4507 </listitem>
4508
4509 <listitem>
4510 <para>
4511 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
4512 </para>
4513 </listitem>
4514
4515 <listitem>
4516 <para>
4517 The type for a generic method can be built only from:
4518   <itemizedlist>
4519   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
4520   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
4521   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
4522   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
4523   </itemizedlist>
4524 Here are some example type signatures for generic methods:
4525 <programlisting>
4526     op1 :: a -> Bool
4527     op2 :: Bool -> (a,Bool)
4528     op3 :: [Int] -> a -> a
4529     op4 :: [a] -> Bool
4530 </programlisting>
4531 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
4532 inside a list.  
4533 </para>
4534 <para>
4535 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
4536 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
4537 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
4538 to the ones that are allowed.</para>
4539 </listitem>
4540
4541 <listitem>
4542 <para>
4543 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
4544 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
4545 do so if
4546   <itemizedlist>
4547   <listitem>
4548   <para>
4549   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
4550   </para>
4551   </listitem>
4552   <listitem>
4553   <para>
4554   No constructor of the instance type has unboxed fields.
4555   </para>
4556   </listitem>
4557   </itemizedlist>
4558 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
4559 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
4560 provided you give explicit code to override any generic default methods.
4561 </para>
4562 </listitem>
4563
4564 </itemizedlist>
4565 </para>
4566
4567 <para>
4568 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
4569 what the compiler does with generic declarations.
4570 </para>
4571
4572 </sect2>
4573
4574 <sect2> <title> Another example </title>
4575 <para>
4576 Just to finish with, here's another example I rather like:
4577 <programlisting>
4578   class Tag a where
4579     nCons :: a -> Int
4580     nCons {| Unit |}    _ = 1
4581     nCons {| a :*: b |} _ = 1
4582     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
4583   
4584     tag :: a -> Int
4585     tag {| Unit |}    _       = 1
4586     tag {| a :*: b |} _       = 1   
4587     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
4588     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
4589 </programlisting>
4590 </para>
4591 </sect2>
4592 </sect1>
4593
4594
4595
4596 <!-- Emacs stuff:
4597      ;;; Local Variables: ***
4598      ;;; mode: sgml ***
4599      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
4600      ;;; End: ***
4601  -->