[project @ 2004-11-26 13:42:37 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
121         </term>
122         <listitem>
123           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
124           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
125           flag. </para>
126         </listitem>
127       </varlistentry>
128
129       <varlistentry>
130         <term>
131           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
132           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
133         </term>
134         <term>
135           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
136           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
137         </term>
138         <term>
139           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
140           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
141         </term>
142         <term>
143           <option>-fcontext-stack</option>
144           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
145         </term>
146         <listitem>
147           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
148           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
149         </listitem>
150       </varlistentry>
151
152       <varlistentry>
153         <term>
154           <option>-finline-phase</option>
155           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
159           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-farrows</option>
166           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
170           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171
172           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
173           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
174           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
175           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
176
177           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
178           <literal>|)</literal>.</para>
179         </listitem>
180       </varlistentry>
181
182       <varlistentry>
183         <term>
184           <option>-fgenerics</option>
185           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
186         </term>
187         <listitem>
188           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
189           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
195         <listitem>
196           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
197           option</primary></indexterm> GHC normally imports
198           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
199           rather it didn't, then give it a
200           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
201           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
202           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
203           namespace is flat, and you must not conflict with any
204           Prelude module.)</para>
205
206           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
207           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
208           Prelude types and values, as specified by the Haskell
209           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
210           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
211           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
212           translation for list comprehensions continues to use
213           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
214
215           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
216           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
217           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
218         </listitem>
219       </varlistentry>
220
221       <varlistentry>
222         <term><option>-fth</option></term>
223         <listitem>
224           <para>Enables Template Haskell (see <xref
225           linkend="template-haskell"/>).  Currently also implied by
226           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
227
228           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
229           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
230           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
231           <literal>$(</literal>,
232           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
233         </listitem>
234       </varlistentry>
235
236       <varlistentry>
237         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
238         <listitem>
239           <para>Enables implicit parameters (see <xref
240           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
241           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
242
243           <para>Syntax stolen:
244           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
245           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
246         </listitem>
247       </varlistentry>
248
249     </variablelist>
250   </sect1>
251
252 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
253 <!--    included from primitives.sgml  -->
254 <!-- &primitives; -->
255 <sect1 id="primitives">
256   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
257
258 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
259 While you really can use this stuff to write fast code,
260   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
261   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
262   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
263   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
264   about it.</para>
265
266 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
267 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
268 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
269 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
270
271 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
272 work over those types, is held in the file
273 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt</filename>.
274 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
275 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
276
277 <para> Indeed,
278 the result of such processing is part of the description of the 
279  <ulink
280       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
281          Core language</ulink>.
282 So that document is a good place to look for a type-set version.
283 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
284 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
285 we could include the results here in the User Guide.</para>
286
287 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
288   
289 <sect2 id="glasgow-unboxed">
290 <title>Unboxed types
291 </title>
292
293 <para>
294 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
295 </para>
296
297 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
298 that values of that type are represented by a pointer to a heap
299 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
300 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
301 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
302 allocation are involved.
303 </para>
304
305 <para>
306 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
307 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
308 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
309 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
310 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
311 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
312 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
313 know and love&mdash;usually one instruction.
314 </para>
315
316 <para>
317 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
318 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
319 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
320 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
321 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
322 </para>
323
324 <para>
325 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
326 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
327 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
328 a primitive value might be represented by a pointer to a
329 heap-allocated object.  Examples include
330 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
331 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
332 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
333 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
334 represents a primitive value, then it really does point to that value:
335 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
336 other end of the pointer than the primitive value.
337 </para>
338
339 <para>
340 There are some restrictions on the use of primitive types, the main
341 one being that you can't pass a primitive value to a polymorphic
342 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
343 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
344 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
345 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
346 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
347 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
348 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
349 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
350 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
351 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
352 </para>
353
354 <para>
355 Nevertheless, A numerically-intensive program using unboxed types can
356 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
357 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
358 </para>
359
360 </sect2>
361
362 <sect2 id="unboxed-tuples">
363 <title>Unboxed Tuples
364 </title>
365
366 <para>
367 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
368 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
369 unboxed tuple looks like this:
370 </para>
371
372 <para>
373
374 <programlisting>
375 (# e_1, ..., e_n #)
376 </programlisting>
377
378 </para>
379
380 <para>
381 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
382 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
383 the same.
384 </para>
385
386 <para>
387 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
388 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
389 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
390 components are put directly into registers or on the stack; the
391 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
392 of the primitive operations listed in this section return unboxed
393 tuples.
394 </para>
395
396 <para>
397 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
398 </para>
399
400 <para>
401
402 <itemizedlist>
403 <listitem>
404
405 <para>
406  Unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
407 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
408 structures or passed to polymorphic functions.
409
410 </para>
411 </listitem>
412 <listitem>
413
414 <para>
415  Unboxed tuples may only be constructed as the direct result of
416 a function, and may only be deconstructed with a <literal>case</literal> expression.
417 eg. the following are valid:
418
419
420 <programlisting>
421 f x y = (# x+1, y-1 #)
422 g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
423 </programlisting>
424
425
426 but the following are invalid:
427
428
429 <programlisting>
430 f x y = g (# x, y #)
431 g (# x, y #) = x + y
432 </programlisting>
433
434
435 </para>
436 </listitem>
437 <listitem>
438
439 <para>
440  No variable can have an unboxed tuple type.  This is illegal:
441
442
443 <programlisting>
444 f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
445 f x = x
446 </programlisting>
447
448
449 because <literal>x</literal> has an unboxed tuple type.
450
451 </para>
452 </listitem>
453
454 </itemizedlist>
455
456 </para>
457
458 <para>
459 Note: we may relax some of these restrictions in the future.
460 </para>
461
462 <para>
463 The <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
464 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
465 </para>
466
467 </sect2>
468 </sect1>
469
470
471 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
472
473 <sect1 id="syntax-extns">
474 <title>Syntactic extensions</title>
475  
476     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
477
478     <sect2 id="hierarchical-modules">
479       <title>Hierarchical Modules</title>
480
481       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
482       names: a module name is allowed to contain a dot
483       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
484       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
485       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
486       more flexible hierarchy of modules.</para>
487
488       <para>This extension has very little impact on the language
489       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
490       qualified, so you can just think of the fully qualified module
491       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
492       means that the full module name must be given after the
493       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
494       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
495       begin</para>
496
497 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
498
499
500       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
501       keyword to save some typing when using qualified names with
502       hierarchical modules.  For example:</para>
503
504 <programlisting>
505 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
506 </programlisting>
507
508       <para>For details on how GHC searches for source and interface
509       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
510       linkend="search-path"/>.</para>
511
512       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
513       hierarchically; see the accompanying library documentation.
514       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
515       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
516       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
517       current status of that project.  For more details, see <ulink
518       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
519       Libraries</ulink>.</para>
520
521     </sect2>
522
523     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
524
525 <sect2 id="pattern-guards">
526 <title>Pattern guards</title>
527
528 <para>
529 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
530 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.)
531 </para>
532
533 <para>
534 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
535 lookup operation:
536
537 <programlisting>
538 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
539 </programlisting>
540
541 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
542 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
543 </para>
544
545 <programlisting>
546 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
547 | otherwise  = var1 + var2
548 where
549   m1 = lookup env var1
550   m2 = lookup env var2
551   ok1 = maybeToBool m1
552   ok2 = maybeToBool m2
553   val1 = expectJust m1
554   val2 = expectJust m2
555 </programlisting>
556
557 <para>
558 The auxiliary functions are 
559 </para>
560
561 <programlisting>
562 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
563 maybeToBool (Just x) = True
564 maybeToBool Nothing  = False
565
566 expectJust :: Maybe a -&gt; a
567 expectJust (Just x) = x
568 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
569 </programlisting>
570
571 <para>
572 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
573 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
574 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
575 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
576 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
577 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
578 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
579 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
580 </para>
581
582 <para>
583 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
584 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
585 to write clunky would be to use case expressions:
586 </para>
587
588 <programlisting>
589 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
590   Nothing -&gt; fail
591   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
592     Nothing -&gt; fail
593     Just val2 -&gt; val1 + val2
594 where
595   fail = val1 + val2
596 </programlisting>
597
598 <para>
599 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
600 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
601 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
602 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
603 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
604 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
605 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
606 tends to become more and more indented. 
607 </para>
608
609 <para>
610 Here is how I would write clunky:
611 </para>
612
613 <programlisting>
614 clunky env var1 var1
615   | Just val1 &lt;- lookup env var1
616   , Just val2 &lt;- lookup env var2
617   = val1 + val2
618 ...other equations for clunky...
619 </programlisting>
620
621 <para>
622 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
623 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
624 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
625 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
626 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
627 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
628 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
629 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
630 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
631 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
632 </para>
633
634 <para>
635 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
636 with among the pattern guards.  For example:
637 </para>
638
639 <programlisting>
640 f x | [y] &lt;- x
641     , y > 3
642     , Just z &lt;- h y
643     = ...
644 </programlisting>
645
646 <para>
647 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
648 qualifier list has just one element, a boolean expression.
649 </para>
650 </sect2>
651
652     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
653
654 <sect2 id="mdo-notation">
655 <title>The recursive do-notation
656 </title>
657
658 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
659 "A recursive do for Haskell",
660 Levent Erkok, John Launchbury",
661 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
662 </para>
663 <para>
664 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
665 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
666 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
667 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
668 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
669 </para>
670 <para>
671 Here is a simple (yet contrived) example:
672 </para>
673 <programlisting>
674 import Control.Monad.Fix
675
676 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
677                return xs
678 </programlisting>
679 <para>
680 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
681 </para>
682
683 <para>
684 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
685 </para>
686 <programlisting>
687 class Monad m => MonadFix m where
688    mfix :: (a -> m a) -> m a
689 </programlisting>
690 <para>
691 The function <literal>mfix</literal>
692 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
693 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
694 For details, see the above mentioned reference.
695 </para>
696 <para>
697 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
698 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
699 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
700 </para>
701 <para>
702 There are three important points in using the recursive-do notation:
703 <itemizedlist>
704 <listitem><para>
705 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
706 than <literal>do</literal>).
707 </para></listitem>
708
709 <listitem><para>
710 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
711 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
712 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
713 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
714 </para></listitem>
715
716 <listitem><para>
717 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
718 </para></listitem>
719 </itemizedlist>
720 </para>
721
722 <para>
723 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
724 contains up to date information on recursive monadic bindings.
725 </para>
726
727 <para>
728 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
729 of the existing documents) used the name
730 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
731 This name is not supported by GHC.
732 </para>
733
734 </sect2>
735
736
737    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
738
739   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
740     <title>Parallel List Comprehensions</title>
741     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
742     </indexterm>
743     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
744     </indexterm>
745
746     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
747     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
748     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
749     extend this to include the zipWith family.</para>
750
751     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
752     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
753     example, the following zips together two lists:</para>
754
755 <programlisting>
756    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
757 </programlisting>
758
759     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
760     zip, in that the resulting list will have the same length as the
761     shortest branch.</para>
762
763     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
764     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
765
766     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
767
768 <programlisting>
769    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
770        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
771        ... 
772    ] 
773 </programlisting>
774
775     <para>This will be translated to: </para>
776
777 <programlisting>
778    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
779                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
780                                          ... 
781    ] 
782 </programlisting>
783
784     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
785     branches.</para>
786
787   </sect2>
788
789 <sect2 id="rebindable-syntax">
790 <title>Rebindable syntax</title>
791
792
793       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
794       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
795       with a home-grown version, for example.</para>
796
797             <para>You may want to define your own numeric class
798             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
799             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
800             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
801             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
802             the following pieces of built-in syntax to refer to
803             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
804             versions:</para>
805
806             <itemizedlist>
807               <listitem>
808                 <para>Integer and fractional literals mean
809                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
810                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
811                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
812                 patterns. </para>
813                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
814                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
815               </listitem>
816
817               <listitem>
818                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
819                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
820                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
821               </listitem>
822
823               <listitem>
824                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
825                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
826                 but the necessary subtraction uses whatever
827                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
828                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
829               </listitem>
830
831               <listitem>
832           <para>"Do" notation is translated using whatever
833               functions <literal>(>>=)</literal>,
834               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
835               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
836               versions).  List comprehensions, and parallel array
837               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
838
839               <listitem>
840                 <para>Similarly recursive do notation (see
841                 <xref linkend="mdo-notation"/>) uses whatever
842                 <literal>mfix</literal> function is in scope, and arrow
843                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
844                 uses whatever <literal>arr</literal>,
845                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
846                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
847                 <literal>loop</literal> functions are in scope.</para>
848               </listitem>
849             </itemizedlist>
850
851              <para>The functions with these names that GHC finds in scope
852              must have types matching those of the originals, namely:
853              <screen>
854                 fromInteger  :: Integer  -> N
855                 fromRational :: Rational -> N
856                 negate       :: N -> N
857                 (-)          :: N -> N -> N
858                 (>>=)        :: forall a b. M a -> (a -> M b) -> M b
859                 (>>)         :: forall a b. M a -> M b -> M b
860                 return       :: forall a.   a      -> M a
861                 fail         :: forall a.   String -> M a
862              </screen>
863              (Here <literal>N</literal> may be any type,
864              and <literal>M</literal> any type constructor.)</para>
865
866              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
867              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
868              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
869              you should be all right.</para>
870
871 </sect2>
872 </sect1>
873
874
875 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
876 <sect1 id="type-extensions">
877 <title>Type system extensions</title>
878
879
880 <sect2>
881 <title>Data types and type synonyms</title>
882
883 <sect3 id="nullary-types">
884 <title>Data types with no constructors</title>
885
886 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
887 a data type with no constructors.  For example:</para>
888
889 <programlisting>
890   data S      -- S :: *
891   data T a    -- T :: * -> *
892 </programlisting>
893
894 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
895 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
896 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
897 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
898
899 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
900 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
901 </sect3>
902
903 <sect3 id="infix-tycons">
904 <title>Infix type constructors</title>
905
906 <para>
907 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
908 like expressions.  More specifically:
909 <itemizedlist>
910 <listitem><para>
911   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
912   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
913   </para></listitem>
914 <listitem><para>
915   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
916   </para></listitem>
917 <listitem><para>
918   Back-quotes work
919   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
920   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
921   </para></listitem>
922 <listitem><para>
923   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
924   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
925   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
926 <screen>
927   infixl 7 T, :*:
928 </screen>
929   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
930   and similarly for <literal>:*:</literal>.
931   <literal>Int `a` Bool</literal>.
932   </para></listitem>
933 <listitem><para>
934   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
935   </para></listitem>
936 <listitem><para>
937   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
938 <screen>
939   data a :*: b = Foo a b
940   type a :+: b = Either a b
941 </screen>
942   </para></listitem>
943 <listitem><para>
944   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
945   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
946   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
947   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
948   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
949   lists.  So for now we just exclude them.
950   </para></listitem>
951
952 </itemizedlist>
953 </para>
954 </sect3>
955
956 <sect3 id="type-synonyms">
957 <title>Liberalised type synonyms</title>
958
959 <para>
960 Type synonyms are like macros at the type level, and
961 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
962 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
963 <itemizedlist>
964 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
965 in a type synonym, thus:
966 <programlisting>
967   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
968
969   f :: Discard a
970   f x y = (x, show y)
971
972   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
973   g f = f Int True
974 </programlisting>
975 </para>
976 </listitem>
977
978 <listitem><para>
979 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
980 <programlisting>
981   type Pr = (# Int, Int #)
982
983   h :: Int -> Pr
984   h x = (# x, x #)
985 </programlisting>
986 </para></listitem>
987
988 <listitem><para>
989 You can apply a type synonym to a forall type:
990 <programlisting>
991   type Foo a = a -> a -> Bool
992  
993   f :: Foo (forall b. b->b)
994 </programlisting>
995 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
996 <programlisting>
997   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
998 </programlisting>
999 </para></listitem>
1000
1001 <listitem><para>
1002 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1003 <programlisting>
1004   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1005   type Id x = x
1006   
1007   foo :: Generic Id []
1008 </programlisting>
1009 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1010 <programlisting>
1011   foo :: forall x. x -> [x]
1012 </programlisting>
1013 </para></listitem>
1014
1015 </itemizedlist>
1016 </para>
1017
1018 <para>
1019 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1020 could be changed.)
1021 </para>
1022 <para>
1023 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1024 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1025 <itemizedlist>
1026 <listitem><para>
1027 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1028 </para></listitem>
1029 <listitem><para>
1030 Unboxed tuple on left of an arrow.
1031 </para></listitem>
1032 <listitem><para>
1033 Partially-applied type synonym.
1034 </para></listitem>
1035 </itemizedlist>
1036 So, for example,
1037 this will be rejected:
1038 <programlisting>
1039   type Pr = (# Int, Int #)
1040
1041   h :: Pr -> Int
1042   h x = ...
1043 </programlisting>
1044 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1045 </para>
1046 </sect3>
1047
1048
1049 <sect3 id="existential-quantification">
1050 <title>Existentially quantified data constructors
1051 </title>
1052
1053 <para>
1054 The idea of using existential quantification in data type declarations
1055 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1056 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1057 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1058 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1059 </para>
1060
1061 <para>
1062
1063 <programlisting>
1064   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1065            | Nil
1066 </programlisting>
1067
1068 </para>
1069
1070 <para>
1071 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1072 </para>
1073
1074 <para>
1075
1076 <programlisting>
1077   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1078   Nil   :: Foo
1079 </programlisting>
1080
1081 </para>
1082
1083 <para>
1084 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1085 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1086 For example, the following expression is fine:
1087 </para>
1088
1089 <para>
1090
1091 <programlisting>
1092   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1093 </programlisting>
1094
1095 </para>
1096
1097 <para>
1098 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1099 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1100 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1101 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1102 </para>
1103
1104 <para>
1105 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1106 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1107 </para>
1108
1109 <para>
1110
1111 <programlisting>
1112   f (MkFoo val fn) = ???
1113 </programlisting>
1114
1115 </para>
1116
1117 <para>
1118 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1119 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1120 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1121 </para>
1122
1123 <para>
1124
1125 <programlisting>
1126   f :: Foo -> Bool
1127   f (MkFoo val fn) = fn val
1128 </programlisting>
1129
1130 </para>
1131
1132 <para>
1133 What this allows us to do is to package heterogenous values
1134 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1135 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1136 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1137 </para>
1138
1139 <sect4 id="existential">
1140 <title>Why existential?
1141 </title>
1142
1143 <para>
1144 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1145 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1146 </para>
1147
1148 <para>
1149
1150 <programlisting>
1151   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1152 </programlisting>
1153
1154 </para>
1155
1156 <para>
1157 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1158 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1159 adding a new existential quantification construct.
1160 </para>
1161
1162 </sect4>
1163
1164 <sect4>
1165 <title>Type classes</title>
1166
1167 <para>
1168 An easy extension (implemented in <command>hbc</command>) is to allow
1169 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1170 </para>
1171
1172 <para>
1173
1174 <programlisting>
1175 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1176          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1177 </programlisting>
1178
1179 </para>
1180
1181 <para>
1182 The two constructors have the types you'd expect:
1183 </para>
1184
1185 <para>
1186
1187 <programlisting>
1188 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1189 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1190 </programlisting>
1191
1192 </para>
1193
1194 <para>
1195 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1196 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1197 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1198 So this program is legal:
1199 </para>
1200
1201 <para>
1202
1203 <programlisting>
1204   f :: Baz -> String
1205   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1206                | otherwise = "No"
1207   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1208 </programlisting>
1209
1210 </para>
1211
1212 <para>
1213 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1214 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1215 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1216 extract it on pattern matching.
1217 </para>
1218
1219 <para>
1220 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1221 universal quantification earlier.
1222 </para>
1223
1224 </sect4>
1225
1226 <sect4>
1227 <title>Restrictions</title>
1228
1229 <para>
1230 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1231 constructors can be use.
1232 </para>
1233
1234 <para>
1235
1236 <itemizedlist>
1237 <listitem>
1238
1239 <para>
1240  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1241 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1242 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1243 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1244
1245
1246 <programlisting>
1247 f1 (MkFoo a f) = a
1248 </programlisting>
1249
1250
1251 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1252 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1253 ask what type <function>f1</function> has:
1254
1255
1256 <programlisting>
1257   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1258 </programlisting>
1259
1260
1261 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1262 this:
1263
1264
1265 <programlisting>
1266   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1267 </programlisting>
1268
1269
1270 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1271
1272
1273 <programlisting>
1274   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1275 </programlisting>
1276
1277
1278 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1279 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1280 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1281
1282
1283 </para>
1284 </listitem>
1285 <listitem>
1286
1287 <para>
1288 You can't pattern-match on an existentially quantified
1289 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1290 bindings. So this is illegal:
1291
1292
1293 <programlisting>
1294   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1295 </programlisting>
1296
1297 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1298
1299 <programlisting>
1300   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1301 </programlisting>
1302
1303 In general, you can only pattern-match
1304 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1305 in the patterns of a function definition.
1306
1307 The reason for this restriction is really an implementation one.
1308 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1309 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1310 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1311 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1312 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1313 annoying it is.
1314
1315 </para>
1316 </listitem>
1317 <listitem>
1318
1319 <para>
1320 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1321 declarations.  So this is illegal:
1322
1323
1324 <programlisting>
1325   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1326 </programlisting>
1327
1328
1329 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1330 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1331 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1332 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1333 You can get just the same efficiency and effect by using
1334 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1335 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1336 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1337 because the <literal>data</literal> version does carry an
1338 implementation cost, but single-field existentially quantified
1339 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1340 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1341 are convincing reasons to change it.
1342
1343
1344 </para>
1345 </listitem>
1346 <listitem>
1347
1348 <para>
1349  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1350 data type with existentially quantified data constructors.
1351
1352 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1353
1354 <programlisting>
1355 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1356 </programlisting>
1357
1358 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1359 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1360
1361 <programlisting>
1362 instance Eq T where
1363   (MkT a) == (MkT b) = ???
1364 </programlisting>
1365
1366 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1367 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1368 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1369 declarations.  Define your own instances!
1370 </para>
1371 </listitem>
1372
1373 </itemizedlist>
1374
1375 </para>
1376
1377 </sect4>
1378 </sect3>
1379
1380 </sect2>
1381
1382
1383
1384 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1385 <title>Class declarations</title>
1386
1387 <para>
1388 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
1389 classes.  There's lots of background in the paper <ulink
1390 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
1391 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1392 Jones, Erik Meijer).
1393 </para>
1394 <para>
1395 There are the following constraints on class declarations:
1396 <orderedlist>
1397 <listitem>
1398
1399 <para>
1400  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1401
1402
1403 <programlisting>
1404   class Collection c a where
1405     union :: c a -> c a -> c a
1406     ...etc.
1407 </programlisting>
1408
1409
1410
1411 </para>
1412 </listitem>
1413 <listitem>
1414
1415 <para>
1416  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1417 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1418 this is OK:
1419
1420
1421 <programlisting>
1422   class C a where {
1423     op :: D b => a -> b -> b
1424   }
1425
1426   class C a => D a where { ... }
1427 </programlisting>
1428
1429
1430 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1431 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1432 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1433
1434 </para>
1435 </listitem>
1436 <listitem>
1437
1438 <para>
1439  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1440 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1441 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1442
1443
1444 <programlisting>
1445   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1446     ...
1447
1448   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1449     lift :: m a -> (t m) a
1450 </programlisting>
1451
1452
1453 </para>
1454 </listitem>
1455
1456 <listitem>
1457
1458 <para>
1459  <emphasis>All of the class type variables must be reachable (in the sense 
1460 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1461 from the free variables of each method type
1462 </emphasis>.  For example:
1463
1464
1465 <programlisting>
1466   class Coll s a where
1467     empty  :: s
1468     insert :: s -> a -> s
1469 </programlisting>
1470
1471
1472 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1473 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1474 types, and has the same motivation.
1475
1476 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1477 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1478
1479
1480 <programlisting>
1481   class Coll s a where
1482     empty  :: s a
1483     insert :: s a -> a -> s a
1484 </programlisting>
1485
1486
1487 which makes the connection between the type of a collection of
1488 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1489 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1490 class like this:
1491
1492
1493 <programlisting>
1494   class CollE s where
1495     empty  :: s
1496
1497   class CollE s => Coll s a where
1498     insert :: s -> a -> s
1499 </programlisting>
1500
1501
1502 </para>
1503 </listitem>
1504
1505 </orderedlist>
1506 </para>
1507
1508 <sect3 id="class-method-types">
1509 <title>Class method types</title>
1510 <para>
1511 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1512 class type variable, thus:
1513 <programlisting>
1514   class Seq s a where
1515     fromList :: [a] -> s a
1516     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1517 </programlisting>
1518 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1519 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1520 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1521 </para>
1522 <para>
1523 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
1524 </para>
1525
1526 </sect3>
1527
1528 </sect2>
1529
1530 <sect2 id="type-restrictions">
1531 <title>Type signatures</title>
1532
1533 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1534 <para>
1535 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1536 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1537 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1538 these type signatures are perfectly OK
1539 <programlisting>
1540   g :: Eq [a] => ...
1541   g :: Ord (T a ()) => ...
1542 </programlisting>
1543 </para>
1544 <para>
1545 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1546 Consider the type:
1547
1548 <programlisting>
1549   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1550 </programlisting>
1551
1552 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1553 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1554 explicit source-language type signature are universally quantified,
1555 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1556 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
1557 </para>
1558
1559 <para>
1560
1561 <orderedlist>
1562 <listitem>
1563
1564 <para>
1565  <emphasis>Each universally quantified type variable
1566 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1567
1568 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
1569 in the same constraint as either a type variable free in in
1570 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
1571 A value with a type that does not obey 
1572 this reachability restriction cannot be used without introducing
1573 ambiguity; that is why the type is rejected.
1574 Here, for example, is an illegal type:
1575
1576
1577 <programlisting>
1578   forall a. Eq a => Int
1579 </programlisting>
1580
1581
1582 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1583 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1584 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1585 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1586 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1587 get any more information about <literal>tv</literal>.
1588 </para>
1589 <para>
1590 Note
1591 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
1592 functionally dependent on a type variable free in
1593 <literal>type</literal> (see <xref
1594 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
1595 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
1596 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
1597 For example, consider:
1598 <programlisting>
1599   class C a b | a -> b where ...
1600   class C a b => D a b where ...
1601   f :: forall a b. D a b => a -> a
1602 </programlisting>
1603 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
1604 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
1605 </para>
1606 </listitem>
1607 <listitem>
1608
1609 <para>
1610  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1611 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1612
1613 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1614 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1615
1616
1617 <programlisting>
1618   forall a. C a b => burble
1619 </programlisting>
1620
1621
1622 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1623 mention <literal>a</literal>:
1624
1625
1626 <programlisting>
1627   forall a. Eq b => burble
1628 </programlisting>
1629
1630
1631 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1632 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1633 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1634 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1635 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1636 territory free in case we need it later.
1637
1638 </para>
1639 </listitem>
1640
1641 </orderedlist>
1642
1643 </para>
1644 </sect3>
1645
1646 <sect3 id="hoist">
1647 <title>For-all hoisting</title>
1648 <para>
1649 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
1650 end of an arrow, thus:
1651 <programlisting>
1652   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1653
1654   g :: Int -> Discard Int
1655   g x y z = x+y
1656 </programlisting>
1657 Simply expanding the type synonym would give
1658 <programlisting>
1659   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1660 </programlisting>
1661 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1662 <programlisting>
1663   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1664 </programlisting>
1665 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1666 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1667 performs the transformation:</emphasis>
1668 <programlisting>
1669   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1670 ==>
1671   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1672 </programlisting>
1673 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1674 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1675 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1676 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1677 <programlisting>
1678   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1679 </programlisting>
1680 </para>
1681 <para>
1682 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
1683 example:
1684 <programlisting>
1685   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
1686   g :: Foo (Foo Int)
1687 </programlisting>
1688 means
1689 <programlisting>
1690   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
1691 </programlisting>
1692 </para>
1693 </sect3>
1694
1695
1696 </sect2>
1697
1698 <sect2 id="instance-decls">
1699 <title>Instance declarations</title>
1700
1701 <sect3>
1702 <title>Overlapping instances</title>
1703 <para>
1704 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
1705 declaration
1706 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
1707 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
1708 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1709 </primary></indexterm> 
1710 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1711 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
1712 </primary></indexterm>, as this section discusses.</para>
1713 <para>
1714 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
1715 it tries to match every instance declaration against the
1716 constraint,
1717 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
1718 these declarations:
1719 <programlisting>
1720   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
1721   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
1722   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
1723   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
1724 </programlisting>
1725 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
1726 no account of the context of the instance declaration
1727 (<literal>context1</literal> etc).
1728 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
1729 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
1730 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
1731 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
1732 particular constraint matches more than one.
1733 </para>
1734
1735 <para>
1736 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
1737 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
1738 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
1739 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
1740 most-specific match, the program is rejected.
1741 </para>
1742 <para>
1743 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1744 <programlisting>
1745   f :: [b] -> [b]
1746   f x = ...
1747 </programlisting>
1748 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
1749 <literal>C Int [b]</literal>.  But
1750 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
1751 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
1752 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
1753 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
1754 GHC will instead pick (C), without complaining about 
1755 the problem of subsequent instantiations.
1756 </para>
1757 </sect3>
1758
1759 <sect3>
1760 <title>Type synonyms in the instance head</title>
1761
1762 <para>
1763 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
1764 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
1765 As always, using a type synonym is just shorthand for
1766 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1767
1768
1769 <programlisting>
1770   type Point = (Int,Int)
1771   instance C Point   where ...
1772   instance C [Point] where ...
1773 </programlisting>
1774
1775
1776 is legal.  However, if you added
1777
1778
1779 <programlisting>
1780   instance C (Int,Int) where ...
1781 </programlisting>
1782
1783
1784 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1785 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1786 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1787
1788
1789 <programlisting>
1790   type P a = [[a]]
1791   instance Monad P where ...
1792 </programlisting>
1793
1794
1795 This design decision is independent of all the others, and easily
1796 reversed, but it makes sense to me.
1797
1798 </para>
1799 </sect3>
1800
1801 <sect3 id="undecidable-instances">
1802 <title>Undecidable instances</title>
1803
1804 <para>An instance declaration must normally obey the following rules:
1805 <orderedlist>
1806 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1807 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1808 For example, these are OK:
1809
1810 <programlisting>
1811   instance C Int a where ...
1812
1813   instance D (Int, Int) where ...
1814
1815   instance E [[a]] where ...
1816 </programlisting>
1817 but this is not:
1818 <programlisting>
1819   instance F a where ...
1820 </programlisting>
1821 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1822 For example, this is OK:
1823 <programlisting>
1824   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1825 </programlisting>
1826 </para>
1827 </listitem>
1828
1829
1830 <listitem>
1831 <para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1832 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables.
1833 Thus
1834 <programlisting>
1835 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1836 </programlisting>
1837 is OK, but
1838 <programlisting>
1839 instance C Int b => Foo b where ...
1840 </programlisting>
1841 is not OK.
1842 </para>
1843 </listitem>
1844 </orderedlist>
1845 These restrictions ensure that 
1846 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1847 constructor.  For example, the following would make the type checker
1848 loop if it wasn't excluded:
1849 <programlisting>
1850   instance C a => C a where ...
1851 </programlisting>
1852 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1853 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1854 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1855 something more specific does not:
1856
1857
1858 <programlisting>
1859   instance C a where
1860     op = ... -- Default
1861 </programlisting>
1862
1863
1864 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1865 effect of a "class synonym":
1866
1867
1868 <programlisting>
1869   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1870
1871   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1872 </programlisting>
1873
1874
1875 This allows you to write shorter signatures:
1876
1877
1878 <programlisting>
1879   f :: C a => ...
1880 </programlisting>
1881
1882
1883 instead of
1884
1885
1886 <programlisting>
1887   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1888 </programlisting>
1889
1890
1891 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1892 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1893 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1894 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1895 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1896 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1897 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1898 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1899 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1900 </para>
1901 <para>
1902 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1903 allowing these idioms interesting idioms.  
1904 </para>
1905 </sect3>
1906
1907
1908 </sect2>
1909
1910 <sect2 id="implicit-parameters">
1911 <title>Implicit parameters</title>
1912
1913 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
1914 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1915 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1916 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1917 Boston, Jan 2000.
1918 </para>
1919
1920 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
1921 due to Jeff Lewis.)</para>
1922
1923 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
1924 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
1925
1926 <para>
1927 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1928 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1929 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1930 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1931 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1932 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1933 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1934 only support static scoping of variables.
1935 </para>
1936 <para>
1937 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1938 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1939 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1940 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1941 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1942 of type <literal>t'</literal>". For
1943 example, the following expresses the type of a sort function,
1944 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1945 <programlisting>
1946   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1947 </programlisting>
1948 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1949 </para>
1950 <para>
1951 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
1952 where <literal>x</literal> is
1953 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
1954 Use of this construct also introduces a new
1955 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
1956 For example, the following definition
1957 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1958 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1959 <programlisting>
1960   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1961
1962   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1963   sort    = sortBy ?cmp
1964 </programlisting>
1965 </para>
1966
1967 <sect3>
1968 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
1969 <para>
1970 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1971 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1972 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1973 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1974 to pick out the least value in a list:
1975 <programlisting>
1976   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1977   least xs = fst (sort xs)
1978 </programlisting>
1979 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1980 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1981 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1982 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1983 propagate them.
1984 </para>
1985 <para>
1986 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
1987 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1988 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1989 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1990 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1991 class constraints.
1992 </para>
1993
1994 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1995 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1996 <programlisting>
1997   class (?x::Int) => C a where ...
1998   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1999 </programlisting>
2000 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2001 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2002 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2003 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2004 <para>
2005 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2006 <programlisting>
2007    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2008    f n = n + length ?x
2009
2010    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2011    g s = show (read s)
2012 </programlisting>
2013 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2014 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2015 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2016 </para>
2017 </sect3>
2018
2019 <sect3>
2020 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2021
2022 <para>
2023 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2024 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2025 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2026 <literal>cmp</literal>.
2027 <programlisting>
2028   min :: [a] -> a
2029   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2030 </programlisting>
2031 </para>
2032 <para>
2033 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2034 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2035 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2036 or a <literal>where</literal> clause.
2037 Note the following points:
2038 <itemizedlist>
2039 <listitem><para>
2040 An implicit-parameter binding group must be a
2041 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2042 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2043 neither polymorphic or recursive.  
2044 </para></listitem>
2045 <listitem><para>
2046 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2047 single <literal>let</literal>
2048 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2049 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2050 </para></listitem>
2051
2052 <listitem><para>
2053 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2054 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2055 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2056 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2057 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2058 the meaning of the program.
2059 For example, consider:
2060 <programlisting>
2061   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2062 </programlisting>
2063 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2064 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2065 <programlisting>
2066   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2067 </programlisting>
2068 </para></listitem>
2069 </itemizedlist>
2070 </para>
2071
2072 </sect3>
2073 </sect2>
2074
2075 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2076 <title>Linear implicit parameters</title>
2077 <para>
2078 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2079 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2080 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2081 </para>
2082 <itemizedlist>
2083 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2084 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2085 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2086 </itemizedlist>
2087
2088 <para>
2089 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2090 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2091 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2092 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2093 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2094 </para>
2095 <para>
2096 For example:
2097 <programlisting>
2098     import GHC.Exts( Splittable )
2099
2100     data NameSupply = ...
2101     
2102     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2103     newName :: NameSupply -> Name
2104
2105     instance Splittable NameSupply where
2106         split = splitNS
2107
2108
2109     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2110     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2111                     where
2112                       x'   = newName %ns
2113                       env' = extend env x x'
2114     ...more equations for f...
2115 </programlisting>
2116 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2117 <itemizedlist>
2118 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2119 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2120 </itemizedlist>
2121 </para>
2122 <para>
2123 So the translation done by the type checker makes
2124 the parameter explicit:
2125 <programlisting>
2126     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2127     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2128                        where
2129                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2130                          x' = newName ns2
2131                          env = extend env x x'
2132 </programlisting>
2133 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2134 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2135 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2136 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2137 <programlisting>
2138         class Splittable a where
2139           split :: a -> (a,a)
2140 </programlisting>
2141 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2142 split for name supplies.  But we can simply write
2143 <programlisting>
2144         g x = (x, %ns, %ns)
2145 </programlisting>
2146 and GHC will infer
2147 <programlisting>
2148         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2149 </programlisting>
2150 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2151 <literal>GHC.Exts</literal>.
2152 </para>
2153 <para>
2154 Other points:
2155 <itemizedlist>
2156 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2157 are entirely distinct implicit parameters: you 
2158   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2159 </listitem>
2160
2161 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2162
2163 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2164   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2165 </itemizedlist>
2166 </para>
2167
2168 <sect3><title>Warnings</title>
2169
2170 <para>
2171 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2172 Consider the example above:
2173 <programlisting>
2174     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2175     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2176                     where
2177                       x'   = newName %ns
2178                       env' = extend env x x'
2179 </programlisting>
2180 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2181 usually a harmless thing to do, we get:
2182 <programlisting>
2183     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2184     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2185                     where
2186                       env' = extend env x (newName %ns)
2187 </programlisting>
2188 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2189 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2190 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2191 the beta rule.
2192 </para>
2193 <para>
2194 Well, this is an experimental change.  With implicit
2195 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2196 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2197 Haskell programs without knowing their typing.
2198 </para>
2199
2200 </sect3>
2201
2202 <sect3><title>Recursive functions</title>
2203 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2204 Consider
2205 <programlisting>
2206         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2207         foo 0 = []
2208         foo n = %x : foo (n-1)
2209 </programlisting>
2210 where T is some type in class Splittable.</para>
2211 <para>
2212 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2213 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2214 </para><para>
2215 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2216 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2217 translated term, where the implicit param is made explicit:
2218 <programlisting>
2219         foo x 0 = []
2220         foo x n = let (x1,x2) = split x
2221                   in x1 : foo x2 (n-1)
2222 </programlisting>
2223 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2224 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2225 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2226 work.  So the translation becomes
2227 <programlisting>
2228         foo x = let
2229                   foom 0 = []
2230                   foom n = x : foom (n-1)
2231                 in
2232                 foom
2233 </programlisting>
2234 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2235 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2236 Yikes!
2237 </para><para>
2238 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2239 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2240 </para>
2241 </sect3>
2242
2243 </sect2>
2244
2245 <sect2 id="functional-dependencies">
2246 <title>Functional dependencies
2247 </title>
2248
2249 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
2250 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
2251 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
2252 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
2253 .
2254 </para>
2255 <para>
2256 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
2257 class declaration;  e.g. 
2258 <programlisting>
2259   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
2260
2261   class Foo a b c | a b -> c where ...
2262 </programlisting>
2263 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
2264 </para>
2265 </sect2>
2266
2267
2268
2269 <sect2 id="sec-kinding">
2270 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2271
2272 <para>
2273 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2274 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2275 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2276 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2277 John Hughes had to define the data type:
2278 <screen>
2279      data Set cxt a = Set [a]
2280                     | Unused (cxt a -> ())
2281 </screen>
2282 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2283 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2284 </para>
2285 <para>
2286 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2287 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2288 <itemizedlist>
2289 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2290 <screen>
2291   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2292 </screen></para></listitem>
2293 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2294 <screen>
2295   type T (f :: * -> *) = f Int
2296 </screen></para></listitem>
2297 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2298 <screen>
2299   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2300 </screen></para></listitem>
2301 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2302 <screen>
2303   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2304 </screen></para></listitem>
2305 </itemizedlist>
2306 </para>
2307
2308 <para>
2309 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2310 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2311 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2312 single lexeme in Haskell.
2313 </para>
2314
2315 <para>
2316 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2317 as well.  Thus:
2318 <screen>
2319    f :: (Int :: *) -> Int
2320    g :: forall a. a -> (a :: *)
2321 </screen>
2322 The syntax is
2323 <screen>
2324    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2325 </screen>
2326 The parentheses are required.
2327 </para>
2328 </sect2>
2329
2330
2331 <sect2 id="universal-quantification">
2332 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2333 </title>
2334
2335 <para>
2336 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2337 allows us to say exactly what this means.  For example:
2338 </para>
2339 <para>
2340 <programlisting>
2341         g :: b -> b
2342 </programlisting>
2343 means this:
2344 <programlisting>
2345         g :: forall b. (b -> b)
2346 </programlisting>
2347 The two are treated identically.
2348 </para>
2349
2350 <para>
2351 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2352 explicit universal quantification in
2353 types. 
2354 For example, all the following types are legal:
2355 <programlisting>
2356     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2357     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2358
2359     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2360     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2361
2362     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2363 </programlisting>
2364 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2365 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2366 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2367 is implicitly added by Haskell.
2368 </para>
2369 <para>
2370 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2371 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2372 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2373 </para>
2374 <para>
2375 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2376 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2377 </para>
2378 <para>
2379 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2380 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2381 that restriction has now been lifted.)
2382 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2383 including an operational type class context, is legal:
2384 <itemizedlist>
2385 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2386 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2387 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2388 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2389 field type signatures.</para> </listitem>
2390 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2391 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2392 </itemizedlist>
2393 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2394 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2395 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2396 <programlisting>
2397     x1 :: [forall a. a->a]
2398     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2399     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2400 </programlisting>
2401 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2402 a type variable any more!
2403 </para>
2404
2405
2406 <sect3 id="univ">
2407 <title>Examples
2408 </title>
2409
2410 <para>
2411 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2412 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2413 </para>
2414
2415 <para>
2416
2417 <programlisting>
2418 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2419
2420 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2421                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2422                         }
2423
2424 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2425 </programlisting>
2426
2427 </para>
2428
2429 <para>
2430 The constructors have rank-2 types:
2431 </para>
2432
2433 <para>
2434
2435 <programlisting>
2436 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2437 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2438                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2439                   -> MonadT m
2440 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2441 </programlisting>
2442
2443 </para>
2444
2445 <para>
2446 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2447 explicit context.  For example in the first argument of the
2448 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2449 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2450 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2451 mentioned in the type quantified over.
2452 </para>
2453
2454 <para>
2455 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2456 types too.  So if you write this:
2457
2458 <programlisting>
2459   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2460 </programlisting>
2461
2462 it's just as if you had written this:
2463
2464 <programlisting>
2465   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2466 </programlisting>
2467
2468 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2469 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2470 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2471 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2472 </para>
2473
2474 <para>
2475 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2476 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2477 </para>
2478
2479 <para>
2480
2481 <programlisting>
2482     a1 :: T Int
2483     a1 = T1 (\xy->x) 3
2484     
2485     a2, a3 :: Swizzle
2486     a2 = MkSwizzle sort
2487     a3 = MkSwizzle reverse
2488     
2489     a4 :: MonadT Maybe
2490     a4 = let r x = Just x
2491              b m k = case m of
2492                        Just y -> k y
2493                        Nothing -> Nothing
2494          in
2495          MkMonad r b
2496
2497     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2498     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2499 </programlisting>
2500
2501 </para>
2502
2503 <para>
2504 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2505 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2506 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2507 </para>
2508
2509 <para>
2510 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2511 polymorphic types.  For example:
2512 </para>
2513
2514 <para>
2515
2516 <programlisting>
2517     f :: T a -> a -> (a, Char)
2518     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2519
2520     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2521     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2522
2523     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2524     h m [] = return m []
2525     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2526                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2527                  return m (y:ys)
2528 </programlisting>
2529
2530 </para>
2531
2532 <para>
2533 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2534 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2535 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2536 matching.
2537 </para>
2538 </sect3>
2539
2540 <sect3>
2541 <title>Type inference</title>
2542
2543 <para>
2544 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
2545 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2546 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2547 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2548 </para>
2549 <para>
2550 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2551 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2552 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2553 </para>
2554 <para>
2555 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2556 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2557 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
2558 <programlisting>
2559      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2560 </programlisting>
2561 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2562 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2563 <programlisting>
2564      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2565 </programlisting>
2566 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2567 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2568 one can give a type signature for the function itself:
2569 <programlisting>
2570      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2571      h f = (f True, f 'c')
2572 </programlisting>
2573 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2574 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2575 <programlisting>
2576     f :: T a -> a -> (a, Char)
2577     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2578 </programlisting>
2579 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2580 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2581 it needs to know.
2582 </para>
2583
2584 </sect3>
2585
2586
2587 <sect3 id="implicit-quant">
2588 <title>Implicit quantification</title>
2589
2590 <para>
2591 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2592 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2593 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2594 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2595 equivalent:
2596 <programlisting>
2597   f :: a -> a
2598   f :: forall a. a -> a
2599
2600   g (x::a) = let
2601                 h :: a -> b -> b
2602                 h x y = y
2603              in ...
2604   g (x::a) = let
2605                 h :: forall b. a -> b -> b
2606                 h x y = y
2607              in ...
2608 </programlisting>
2609 </para>
2610 <para>
2611 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2612 point.  For example:
2613 <programlisting>
2614   f :: (a -> a) -> Int
2615            -- MEANS
2616   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2617            -- NOT
2618   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2619
2620
2621   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2622            -- MEANS the illegal type
2623   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2624            -- NOT
2625   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2626 </programlisting>
2627 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2628 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2629 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2630 for rank-2 types.
2631 </para>
2632 </sect3>
2633 </sect2>
2634
2635
2636
2637
2638 <sect2 id="scoped-type-variables">
2639 <title>Scoped type variables
2640 </title>
2641
2642 <para>
2643 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2644 variable</emphasis>.  For example
2645 </para>
2646
2647 <para>
2648
2649 <programlisting>
2650 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2651            where
2652               ys :: [a]
2653               ys = reverse xs
2654 </programlisting>
2655
2656 </para>
2657
2658 <para>
2659 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
2660 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2661 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2662 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
2663 </para>
2664
2665 <para>
2666  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2667 type signatures.  The two can be used independently or together.
2668 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
2669 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2670 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2671 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2672 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
2673 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
2674 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2675 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
2676 it becomes possible to do so.
2677 </para>
2678
2679 <para>
2680 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2681 implementations differ from the specification below, those differences
2682 are noted.
2683 </para>
2684
2685 <para>
2686 So much for the basic idea.  Here are the details.
2687 </para>
2688
2689 <sect3>
2690 <title>What a pattern type signature means</title>
2691 <para>
2692 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2693 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2694 of the same name mean the same type.  For example:
2695 <programlisting>
2696   f :: [Int] -> Int -> Int
2697   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2698 </programlisting>
2699 The pattern type signatures on the left hand side of
2700 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2701 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2702 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2703 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2704 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2705 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2706 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2707 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2708 For example, all of these are legal:</para>
2709
2710 <programlisting>
2711   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2712
2713   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2714
2715   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2716
2717   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2718         in k x                  -- environment
2719
2720   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2721   k (x::Int) False = ...
2722
2723   w :: [b] -> [b]
2724   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2725 </programlisting>
2726
2727 </sect3>
2728
2729 <sect3>
2730 <title>Scope and implicit quantification</title>
2731
2732 <para>
2733
2734 <itemizedlist>
2735 <listitem>
2736
2737 <para>
2738 All the type variables mentioned in a pattern,
2739 that are not already in scope,
2740 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2741 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2742 For example:
2743 <programlisting>
2744   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2745              in
2746              g (x,True)
2747 </programlisting>
2748 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2749 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2750 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2751 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2752 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2753 </para>
2754 </listitem>
2755
2756 <listitem>
2757 <para>
2758 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2759 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2760 <programlisting>
2761   let
2762     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
2763     (p::b, q::b) = (1,2)
2764   in &lt;...body of let...>
2765 </programlisting>
2766 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2767 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2768 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2769 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2770 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2771 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2772 </para>
2773 </listitem>
2774
2775
2776 <listitem>
2777 <para>
2778 The type variables bound by the pattern may be 
2779 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2780 type signatures anywhere within their scope.
2781
2782 </para>
2783 </listitem>
2784
2785 <listitem>
2786 <para>
2787  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2788 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2789
2790 </para>
2791 </listitem>
2792
2793 <listitem>
2794
2795 <para>
2796  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2797 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2798
2799 <programlisting>
2800   f :: a -> a
2801   f x = x::a
2802 </programlisting>
2803
2804 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2805 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2806 and that is an incorrect typing.
2807
2808 </para>
2809 </listitem>
2810
2811 <listitem>
2812 <para>
2813 The pattern type signature is a monotype:
2814 </para>
2815
2816 <itemizedlist>
2817 <listitem> <para> 
2818 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2819 </para> </listitem>
2820
2821 <listitem>  <para> 
2822 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2823 not to type schemes.
2824 </para> </listitem>
2825
2826 <listitem>  <para> 
2827 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2828 ordinary type signatures).
2829 </para> </listitem>
2830
2831 </itemizedlist>
2832
2833 </listitem>
2834
2835 <listitem>
2836 <para>
2837
2838 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2839 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2840
2841
2842 <programlisting>
2843   class C a where
2844     op :: [a] -> a
2845
2846     op xs = let ys::[a]
2847                 ys = reverse xs
2848             in
2849             head ys
2850 </programlisting>
2851
2852
2853 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2854 </para>
2855 </listitem>
2856
2857 </itemizedlist>
2858
2859 </para>
2860
2861 </sect3>
2862
2863 <sect3>
2864 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2865
2866 <para>
2867 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2868 <itemizedlist>
2869
2870 <listitem>
2871 <para>
2872 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2873 just on a variable:
2874
2875
2876 <programlisting>
2877   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2878 </programlisting>
2879
2880
2881 </para>
2882 </listitem>
2883 <listitem>
2884
2885 <para>
2886  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2887 in lambda abstractions:
2888
2889 <programlisting>
2890   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2891 </programlisting>
2892 </para>
2893 </listitem>
2894 <listitem>
2895
2896 <para>
2897  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2898 in <literal>case</literal> expressions:
2899
2900 <programlisting>
2901   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
2902 </programlisting>
2903
2904 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
2905 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
2906 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
2907 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
2908 arrow and give a parse error later.
2909
2910 </para>
2911
2912 </listitem>
2913
2914 <listitem>
2915 <para>
2916 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2917 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2918 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2919 consider how one would parse this:
2920
2921
2922 <programlisting>
2923   \ x :: a -> b -> x
2924 </programlisting>
2925
2926
2927 </para>
2928 </listitem>
2929
2930 <listitem>
2931
2932 <para>
2933  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2934 For example:
2935
2936
2937 <programlisting>
2938   data T = forall a. MkT [a]
2939
2940   f :: T -> T
2941   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2942                  where
2943                    t3::[a] = [t,t,t]
2944 </programlisting>
2945
2946
2947 </para>
2948 </listitem>
2949
2950
2951 <listitem>
2952
2953 <para>
2954 Pattern type signatures 
2955 can be used in pattern bindings:
2956
2957 <programlisting>
2958   f x = let (y, z::a) = x in ...
2959   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2960   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2961   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2962 </programlisting>
2963
2964 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2965 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2966 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2967 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2968 In contrast, the binding
2969 <programlisting>
2970   f4 :: b->b
2971   f4 = \x -> x
2972 </programlisting>
2973 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2974 in <literal>f4</literal>'s scope.
2975
2976 </para>
2977 </listitem>
2978 </itemizedlist>
2979 </para>
2980
2981 </sect3>
2982
2983 <sect3>
2984 <title>Result type signatures</title>
2985
2986 <para>
2987 The result type of a function can be given a signature, thus:
2988
2989
2990 <programlisting>
2991   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2992 </programlisting>
2993
2994
2995 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2996 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2997 you want:
2998
2999
3000 <programlisting>
3001   f :: Int -> [a] -> [a]
3002   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3003                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3004 </programlisting>
3005
3006 </para>
3007 <para>
3008 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3009 of the definition. However, consider this corner-case:
3010 <programlisting>
3011   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3012
3013   foo ys = rev (ys::[a])
3014 </programlisting>
3015 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3016 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3017 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3018 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3019 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3020 </para>
3021 <para>
3022 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3023 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3024 is polymorphic:
3025 <programlisting>
3026   rev1 :: [b] -> [b]
3027   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3028 </programlisting>
3029 </para>
3030
3031 <para>
3032 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3033 </para>
3034
3035 </sect3>
3036
3037 </sect2>
3038
3039 <sect2 id="deriving-typeable">
3040 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3041
3042 <para>
3043 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3044 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3045 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3046 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3047 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3048 </para>
3049 <para>
3050 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3051 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3052 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3053 modules <literal>Data.Dynamic</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3054 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3055 </para>
3056 </sect2>
3057
3058 <sect2 id="newtype-deriving">
3059 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3060
3061 <para>
3062 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3063 the new type to inherit some instances from its representation. In
3064 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3065 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3066 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3067 example, if you define
3068
3069 <programlisting> 
3070   newtype Dollars = Dollars Int 
3071 </programlisting> 
3072
3073 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3074 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3075
3076 <programlisting> 
3077   instance Num Dollars where
3078     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3079     ...
3080 </programlisting>
3081 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3082 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3083 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3084 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3085 dictionary, only slower!
3086 </para>
3087
3088
3089 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3090 <para>
3091 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3092 <programlisting> 
3093   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3094 </programlisting> 
3095
3096 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3097 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3098 derives an instance declaration of the form
3099
3100 <programlisting> 
3101   instance Num Int => Num Dollars
3102 </programlisting> 
3103
3104 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3105 </para>
3106 <para>
3107
3108 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3109 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3110 transformers, such that
3111
3112 <programlisting> 
3113   instance Monad m => Monad (State s m) 
3114   instance Monad m => Monad (Failure m)
3115 </programlisting> 
3116 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3117 <programlisting> 
3118   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3119 </programlisting> 
3120
3121 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3122 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3123 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3124
3125 <programlisting> 
3126   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3127                          deriving Monad
3128 </programlisting>
3129 In this case the derived instance declaration is of the form 
3130 <programlisting> 
3131   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3132 </programlisting> 
3133
3134 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3135 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3136 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3137 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3138 declaration.
3139 </para>
3140 <para>
3141
3142 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3143 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3144 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3145 clause. For example, given the class
3146
3147 <programlisting> 
3148   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3149   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3150 </programlisting> 
3151 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3152 <programlisting> 
3153   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3154                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3155 </programlisting>
3156
3157 The derived instance is obtained by completing the application of the
3158 class to the new type:
3159
3160 <programlisting> 
3161   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3162            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3163 </programlisting>
3164 </para>
3165 <para>
3166
3167 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3168 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3169 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3170 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3171 the newtype and its representation.
3172 </para>
3173 </sect3>
3174
3175 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3176 <para>
3177 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3178 declaration (after expansion of any type synonyms)
3179
3180 <programlisting> 
3181   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3182 </programlisting> 
3183
3184 where 
3185  <itemizedlist>
3186 <listitem><para>
3187   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3188 </para></listitem>
3189 <listitem><para>
3190   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3191 </para></listitem>
3192 <listitem><para>
3193   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3194   the <literal>ti</literal>, and
3195 </para></listitem>
3196 <listitem><para>
3197   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3198   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3199   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3200 </para></listitem>
3201 <listitem><para>
3202   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3203                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3204                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3205                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3206                 via this new mechanism.  
3207 </para></listitem>
3208 </itemizedlist>
3209 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3210 declaration is:
3211 <programlisting> 
3212   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3213 </programlisting>
3214 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3215 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3216 </para>
3217 <para>
3218
3219 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3220 <programlisting> 
3221   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3222 </programlisting> 
3223 Here we cannot derive the instance 
3224 <programlisting> 
3225   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3226 </programlisting> 
3227
3228 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3229 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3230 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3231 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3232 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3233 </para>
3234 <para>
3235
3236 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3237 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3238 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3239
3240 <programlisting> 
3241   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3242 </programlisting>
3243
3244 then we would not have been able to derive an instance for the
3245 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3246 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3247 instances is most interesting.
3248 </para>
3249 </sect3>
3250
3251 </sect2>
3252
3253
3254 </sect1>
3255 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3256   
3257 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3258
3259 <sect1 id="gadt">
3260 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3261
3262 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3263 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3264 <programlisting>
3265   data Term a where
3266       Lit    :: Int -> Term Int
3267       Succ   :: Term Int -> Term Int
3268       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3269       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3270       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3271 </programlisting>
3272 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3273 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3274 for these <literal>Terms</literal>:
3275 <programlisting>
3276   eval :: Term a -> a
3277   eval (Lit i)      = i
3278   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3279   eval (IsZero i)   = eval i == 0
3280   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3281   eval (Pair e1 e2) = (eval e2, eval e2)
3282 </programlisting>
3283 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3284 </para>
3285 <para> The extensions to GHC are these:
3286 <itemizedlist>
3287 <listitem><para>
3288   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3289 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3290 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3291 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3292 <programlisting>
3293   data Term :: * -> * where ...
3294 </programlisting>
3295 or even a mixture of the two:
3296 <programlisting>
3297   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3298 </programlisting>
3299 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3300 like this:
3301 <programlisting>
3302   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3303 </programlisting>
3304 </para></listitem>
3305
3306 <listitem><para>
3307 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3308 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3309 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3310 </para></listitem>
3311
3312 <listitem><para>
3313 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type declaration,
3314 nor can you use record syntax.  (It's not clear what these constructs would mean.  For example,
3315 the record selectors might ill-typed.)  However, you can use strictness annotations, in the obvious places
3316 in the constructor type:
3317 <programlisting>
3318   data Term a where
3319       Lit    :: !Int -> Term Int
3320       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3321       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3322 </programlisting>
3323 </para></listitem>
3324
3325 <listitem><para>
3326 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3327 <programlisting>
3328   eval :: Term a -> a
3329   eval (Lit i) =  ...
3330 </programlisting>
3331 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3332 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3333 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3334
3335 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3336 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3337 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3338 <programlisting>
3339   eval :: Term a -> a -> a
3340   eval (Lit i) j =  i+j
3341 </programlisting>
3342 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3343 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3344 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3345 </para>
3346 </listitem>
3347 </itemizedlist>
3348 </para>
3349
3350 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3351 <programlisting>
3352   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3353   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T a }
3354 </programlisting>
3355 </para>
3356 </sect1>
3357
3358 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3359
3360 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3361
3362 <sect1 id="template-haskell">
3363 <title>Template Haskell</title>
3364
3365 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3366 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3367 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3368 the background to
3369 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3370 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3371 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3372 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3373 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3374 (search for the type ExpQ).
3375 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3376       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3377 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3378 </para>
3379
3380 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3381 </para>
3382
3383 <para>
3384 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3385 Tim Sheard is going to expand it.)
3386 </para>
3387
3388     <sect2>
3389       <title>Syntax</title>
3390
3391       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3392       constructions.  You need to use the flag
3393       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3394       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3395       (<option>-fth</option> is currently implied by
3396       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3397       specify it explicitly).</para>
3398
3399         <itemizedlist>
3400               <listitem><para>
3401                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3402                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3403                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3404                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3405                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3406                   </para>
3407               <para> A splice can occur in place of 
3408                   <itemizedlist>
3409                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must have type <literal>Expr</literal></para></listitem>
3410                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3411                     <listitem><para> a type; the spliced expression must have type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3412                     </itemizedlist>
3413            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3414         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3415         as in the paper.)
3416                 </para></listitem>
3417
3418
3419               <listitem><para>
3420                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3421                   <itemizedlist>
3422                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3423                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3424                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3425                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3426                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3427                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3428                   </itemizedlist></para></listitem>
3429
3430               <listitem><para>
3431                   Reification is written thus:
3432                   <itemizedlist>
3433                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3434                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3435                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3436                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3437                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3438                     
3439                   </itemizedlist></para>
3440                 </listitem>
3441
3442                   
3443         </itemizedlist>
3444 </sect2>
3445
3446 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3447 <para>
3448 <itemizedlist>
3449     <listitem><para>
3450     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3451     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3452     </para></listitem>
3453
3454     <listitem><para>
3455     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3456             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3457             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3458    </para></listitem>
3459
3460     <listitem><para>
3461             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3462    </para></listitem>
3463     <listitem><para>
3464             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3465               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3466               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3467               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3468               those of the compiler itself.
3469    </para></listitem>
3470 </itemizedlist>
3471 </para>
3472 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3473         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3474         has been lifted.
3475 </para>
3476 </sect2>
3477  
3478 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3479 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3480   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3481
3482 <programlisting>
3483
3484 {- Main.hs -}
3485 module Main where
3486
3487 -- Import our template "pr"
3488 import Printf ( pr )
3489
3490 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3491 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3492 -- the argument of "putStrLn".
3493 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3494
3495
3496 {- Printf.hs -}
3497 module Printf where
3498
3499 -- Skeletal printf from the paper.
3500 -- It needs to be in a separate module to the one where
3501 -- you intend to use it.
3502
3503 -- Import some Template Haskell syntax
3504 import Language.Haskell.TH.Syntax
3505
3506 -- Describe a format string
3507 data Format = D | S | L String
3508
3509 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3510 -- as we are here interested in building our first ever
3511 -- Template Haskell program and not in building printf.
3512 parse :: String -> [Format]
3513 parse s   = [ L s ]
3514
3515 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3516 -- of the format string.  This code will be spliced into
3517 -- the module which calls "pr", at compile time.
3518 gen :: [Format] -> ExpQ
3519 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3520 gen [S]   = [| \s -> s |]
3521 gen [L s] = stringE s
3522
3523 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3524 -- from an input format string.
3525 pr :: String -> ExpQ
3526 pr s      = gen (parse s)
3527 </programlisting>
3528
3529 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3530 </para>
3531 <programlisting>
3532 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3533 </programlisting>
3534
3535 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3536
3537 <programlisting>
3538 $ ./main
3539 Hello
3540 </programlisting>
3541
3542 </sect2>
3543  
3544 </sect1>
3545
3546 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3547
3548 <sect1 id="arrow-notation">
3549 <title>Arrow notation
3550 </title>
3551
3552 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3553 For more details, see
3554 <itemizedlist>
3555
3556 <listitem>
3557 <para>
3558 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3559 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3560 pp67&ndash;111, May 2000.
3561 </para>
3562 </listitem>
3563
3564 <listitem>
3565 <para>
3566 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3567 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3568 </para>
3569 </listitem>
3570
3571 <listitem>
3572 <para>
3573 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3574 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3575 Palgrave, 2003.
3576 </para>
3577 </listitem>
3578
3579 </itemizedlist>
3580 and the arrows web page at
3581 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3582 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3583 notation described in the second of these papers.
3584 What follows is a brief introduction to the notation;
3585 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3586 This notation is translated to ordinary Haskell,
3587 using combinators from the
3588 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3589 module.
3590 </para>
3591
3592 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
3593 <screen>
3594 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
3595        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3596 </screen>
3597 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3598 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3599 <literal>proc</literal>-expression,
3600 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3601 The syntax of commands is as follows:
3602 <screen>
3603 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
3604        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
3605        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
3606 </screen>
3607 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
3608 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
3609 infix operators as for expressions, and
3610 <screen>
3611 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3612        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
3613        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
3614        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
3615        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
3616        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
3617
3618 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
3619        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
3620        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
3621
3622 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
3623        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
3624        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
3625        |  <replaceable>cmd</replaceable>
3626 </screen>
3627 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
3628 except that the bodies are commands instead of expressions.
3629 </para>
3630
3631 <para>
3632 Commands produce values, but (like monadic computations)
3633 may yield more than one value,
3634 or none, and may do other things as well.
3635 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
3636 using commands.
3637 However the values of expressions, even monadic ones,
3638 are determined by the values of the variables they contain;
3639 this is not necessarily the case for commands.
3640 </para>
3641
3642 <para>
3643 A simple example of the new notation is the expression
3644 <screen>
3645 proc x -> f -&lt; x+1
3646 </screen>
3647 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
3648 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
3649 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
3650 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
3651 It refers to the input to the arrow.
3652 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
3653 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
3654 type and an expression to be fed as input to that arrow.
3655 (The weird look will make more sense later.)
3656 It may be read as analogue of application for arrows.
3657 The above example is equivalent to the Haskell expression
3658 <screen>
3659 arr (\ x -> x+1) >>> f
3660 </screen>
3661 That would make no sense if the expression to the left of
3662 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
3663 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
3664 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
3665 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
3666 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
3667 <screen>
3668 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
3669 </screen>
3670 which is equivalent to
3671 <screen>
3672 arr (\ x -> (f, x+1)) >>> app
3673 </screen>
3674 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
3675 class.
3676 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
3677 you may find a monadic formulation more convenient.
3678 </para>
3679
3680 <sect2>
3681 <title>do-notation for commands</title>
3682
3683 <para>
3684 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
3685 For example, you can write
3686 <screen>
3687 proc x -> do
3688         y &lt;- f -&lt; x+1
3689         g -&lt; 2*y
3690         let z = x+y
3691         t &lt;- h -&lt; x*z
3692         returnA -&lt; t+z
3693 </screen>
3694 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
3695 but with commands in place of monadic expressions.
3696 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
3697 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
3698 <literal>y</literal>.
3699 In the next line, the output is discarded.
3700 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
3701 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3702 module as <literal>arr id</literal>.
3703 The above example is treated as an abbreviation for
3704 <screen>
3705 arr (\ x -> (x, x)) >>>
3706         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
3707         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
3708         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
3709         arr snd >>>
3710         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
3711         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
3712         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
3713         returnA
3714 </screen>
3715 Note that variables not used later in the composition are projected out.
3716 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
3717 defined in the
3718 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3719 module, this reduces to
3720 <screen>
3721 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
3722         first f >>>
3723         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
3724         first g >>>
3725         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
3726         first h >>>
3727         arr (\ (t, z) -> t+z)
3728 </screen>
3729 which is what you might have written by hand.
3730 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
3731 </para>
3732
3733 <para>
3734 Note that although the above translation suggests that
3735 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
3736 monomorphic, the actual translation produces Core,
3737 so polymorphic variables are allowed.
3738 </para>
3739
3740 <para>
3741 It's also possible to have mutually recursive bindings,
3742 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
3743 <programlisting>
3744 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
3745 counter = proc reset -> do
3746         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
3747                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
3748         returnA -&lt; output
3749 </programlisting>
3750 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
3751 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
3752 </para>
3753
3754 </sect2>
3755
3756 <sect2>
3757 <title>Conditional commands</title>
3758
3759 <para>
3760 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
3761 input for an arrow.
3762 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
3763 <screen>
3764 proc (x,y) ->
3765         if f x y
3766         then g -&lt; x+1
3767         else h -&lt; y+2
3768 </screen>
3769 which is translated to
3770 <screen>
3771 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
3772         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
3773 </screen>
3774 Since the translation uses <function>|||</function>,
3775 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
3776 </para>
3777
3778 <para>
3779 There are also <literal>case</literal> commands, like
3780 <screen>
3781 case input of
3782     [] -> f -&lt; ()
3783     [x] -> g -&lt; x+1
3784     x1:x2:xs -> do
3785         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
3786         ys &lt;- k -&lt; xs
3787         returnA -&lt; y:ys
3788 </screen>
3789 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
3790 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
3791 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
3792 </para>
3793
3794 </sect2>
3795
3796 <sect2>
3797 <title>Defining your own control structures</title>
3798
3799 <para>
3800 As we're seen, arrow notation provides constructs,
3801 modelled on those for expressions,
3802 for sequencing, value recursion and conditionals.
3803 But suitable combinators,
3804 which you can define in ordinary Haskell,
3805 may also be used to build new commands out of existing ones.
3806 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
3807 These environments assign values to the free local variables of the command.
3808 Thus combinators that produce arrows from arrows
3809 may also be used to build commands from commands.
3810 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
3811 <programlisting>
3812 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
3813 </programlisting>
3814 so we can use it to build commands:
3815 <programlisting>
3816 expr' = proc x -> do
3817                 returnA -&lt; x
3818         &lt;+> do
3819                 symbol Plus -&lt; ()
3820                 y &lt;- term -&lt; ()
3821                 expr' -&lt; x + y
3822         &lt;+> do
3823                 symbol Minus -&lt; ()
3824                 y &lt;- term -&lt; ()
3825                 expr' -&lt; x - y
3826 </programlisting>
3827 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
3828 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
3829 expression on the previous line.)
3830 This is equivalent to
3831 <programlisting>
3832 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
3833         &lt;+> (proc x -> do
3834                 symbol Plus -&lt; ()
3835                 y &lt;- term -&lt; ()
3836                 expr' -&lt; x + y)
3837         &lt;+> (proc x -> do
3838                 symbol Minus -&lt; ()
3839                 y &lt;- term -&lt; ()
3840                 expr' -&lt; x - y)
3841 </programlisting>
3842 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
3843 (representing the environment input to the command
3844 and thence to its subcommands)
3845 and satisfy the corresponding naturality property
3846 <screen>
3847 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
3848 </screen>
3849 at least for strict <literal>k</literal>.
3850 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
3851 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
3852 of the whole command,
3853 and also allows the translation to safely trim these environments.
3854 The operator must also not use any variable defined within the current
3855 arrow abstraction.
3856 </para>
3857
3858 <para>
3859 We could define our own operator
3860 <programlisting>
3861 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
3862 untilA body cond = proc x ->
3863         if cond x then returnA -&lt; ()
3864         else do
3865                 body -&lt; x
3866                 untilA body cond -&lt; x
3867 </programlisting>
3868 and use it in the same way.
3869 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
3870 there is also a more general syntax involving special brackets:
3871 <screen>
3872 proc x -> do
3873         y &lt;- f -&lt; x+1
3874         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
3875 </screen>
3876 </para>
3877
3878 </sect2>
3879
3880 <sect2>
3881 <title>Primitive constructs</title>
3882
3883 <para>
3884 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
3885 For example, in an arrow type supporting exceptions,
3886 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
3887 exception that occurred to the handler.
3888 Such an operator might have a type
3889 <screen>
3890 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
3891 </screen>
3892 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
3893 You could then use this with arrow notation by writing a command
3894 <screen>
3895 body `handleA` \ ex -> handler
3896 </screen>
3897 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
3898 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
3899 and the command <literal>handler</literal>,
3900 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
3901 Though the syntax here looks like a functional lambda,
3902 we are talking about commands, and something different is going on.
3903 The input to the arrow represented by a command consists of values for
3904 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
3905 In all the prior examples, this stack was empty.
3906 In the second argument to <function>handleA</function>,
3907 this stack consists of one value, the value of the exception.
3908 The command form of lambda merely gives this value a name.
3909 </para>
3910
3911 <para>
3912 More concretely,
3913 the values on the stack are paired to the right of the environment.
3914 So operators like <function>handleA</function> that pass
3915 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
3916 by pairing the values with the environment in this way.
3917 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
3918 should have the form
3919 <screen>
3920 a (...(e,t1), ... tn) t
3921 </screen>
3922 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
3923 (representing the environment)
3924 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
3925 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
3926 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
3927 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
3928 <replaceable>t</replaceable>.
3929 However the arrows involved need not be the same.
3930 Here are some more examples of suitable operators:
3931 <screen>
3932 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
3933 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
3934 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
3935 </screen>
3936 We can supply the extra input required by commands built with the last two
3937 by applying them to ordinary expressions, as in
3938 <screen>
3939 proc x -> do
3940         s &lt;- ...
3941         (|runReader (do { ... })|) s
3942 </screen>
3943 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
3944 built using <function>runReader</function>.
3945 </para>
3946
3947 <para>
3948 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
3949 the expression versions.
3950 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
3951 These three features (operators, lambda abstraction and application)
3952 are the core of the notation; everything else can be built using them,
3953 though the results would be somewhat clumsy.
3954 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
3955 <programlisting>
3956 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
3957 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
3958
3959 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
3960 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
3961 </programlisting>
3962 We could simulate <literal>if</literal> by defining
3963 <programlisting>
3964 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
3965 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
3966 </programlisting>
3967 </para>
3968
3969 </sect2>
3970
3971 <sect2>
3972 <title>Differences with the paper</title>
3973
3974 <itemizedlist>
3975
3976 <listitem>
3977 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
3978 translations, the implementation provides two forms
3979 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
3980 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
3981 </para>
3982 </listitem>
3983
3984 <listitem>
3985 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
3986 a new <literal>form</literal> keyword.
3987 </para>
3988 </listitem>
3989
3990 </itemizedlist>
3991
3992 </sect2>
3993
3994 <sect2>
3995 <title>Portability</title>
3996
3997 <para>
3998 Although only GHC implements arrow notation directly,
3999 there is also a preprocessor
4000 (available from the 
4001 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4002 that translates arrow notation into Haskell 98
4003 for use with other Haskell systems.
4004 You would still want to check arrow programs with GHC;
4005 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4006 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4007 additional restrictions:
4008 <itemizedlist>
4009
4010 <listitem>
4011 <para>
4012 The module must import
4013 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4014 </para>
4015 </listitem>
4016
4017 <listitem>
4018 <para>
4019 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4020 These would have to go in separate modules.
4021 </para>
4022 </listitem>
4023
4024 <listitem>
4025 <para>
4026 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4027 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4028 </para>
4029 </listitem>
4030
4031 </itemizedlist>
4032 </para>
4033
4034 </sect2>
4035
4036 </sect1>
4037
4038 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4039
4040 <sect1 id="sec-assertions">
4041 <title>Assertions
4042 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4043 </title>
4044
4045 <para>
4046 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4047 could define a function like the following:
4048 </para>
4049
4050 <para>
4051
4052 <programlisting>
4053 assert :: Bool -> a -> a
4054 assert False x = error "assertion failed!"
4055 assert _     x = x
4056 </programlisting>
4057
4058 </para>
4059
4060 <para>
4061 which works, but gives you back a less than useful error message --
4062 an assertion failed, but which and where?
4063 </para>
4064
4065 <para>
4066 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4067 takes a descriptive string to include in the error message and
4068 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4069 the source location where <function>assert</function> was used.
4070 </para>
4071
4072 <para>
4073 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4074 use of <function>assert</function> in the user's source:
4075 </para>
4076
4077 <para>
4078
4079 <programlisting>
4080 kelvinToC :: Double -> Double
4081 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4082 </programlisting>
4083
4084 </para>
4085
4086 <para>
4087 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4088 assertion was made,
4089 </para>
4090
4091 <para>
4092
4093 <programlisting>
4094 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4095 </programlisting>
4096
4097 </para>
4098
4099 <para>
4100 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4101 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4102 can still define and use your own versions of
4103 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4104 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4105 <function>assert</function> in your code.
4106 </para>
4107
4108 <para>
4109 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
4110 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
4111 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
4112 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4113 <literal>e</literal>.
4114 </para>
4115
4116 <para>
4117 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4118 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4119 </para>
4120
4121 </sect1>
4122
4123
4124 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4125
4126   <sect1 id="pragmas">
4127     <title>Pragmas</title>
4128
4129     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4130
4131     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4132     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4133     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4134     of the generated code.</para>
4135
4136     <para>Pragmas all take the form
4137
4138 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4139
4140     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4141     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4142     type of pragma.  Case is ignored in
4143     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4144     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4145     in the following sections; any pragma encountered with an
4146     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4147     ignored.</para>
4148
4149     <sect2 id="deprecated-pragma">
4150       <title>DEPRECATED pragma</title>
4151       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4152       </indexterm>
4153
4154       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4155       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4156       forms.
4157
4158       <itemizedlist>
4159         <listitem>
4160           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4161 <programlisting>
4162    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4163      ...
4164 </programlisting>
4165           <para>When you compile any module that import
4166           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4167           message.</para>
4168         </listitem>
4169
4170         <listitem>
4171           <para>You can deprecate a function, class, or type, with the
4172           following top-level declaration:</para>
4173 <programlisting>
4174    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4175 </programlisting>
4176           <para>When you compile any module that imports and uses any
4177           of the specified entities, GHC will print the specified
4178           message.</para>
4179         </listitem>
4180       </itemizedlist>
4181       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4182       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4183       deprecations are not reported for
4184       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4185       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4186       The latter reduces spurious complaints within a library
4187       in which one module gathers together and re-exports 
4188       the exports of several others.
4189       </para>
4190       <para>You can suppress the warnings with the flag
4191       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4192     </sect2>
4193
4194     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4195       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4196
4197       <para>These pragmas control the inlining of function
4198       definitions.</para>
4199
4200       <sect3 id="inline-pragma">
4201         <title>INLINE pragma</title>
4202         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4203
4204         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4205         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4206         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4207         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4208         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4209         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4210         export that unfolding for other modules to use.</para>
4211
4212         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4213         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4214         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4215
4216 <programlisting>
4217 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4218
4219 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4220 {-# INLINE key_function #-}
4221 #endif
4222 </programlisting>
4223
4224         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4225         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4226         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4227
4228         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4229         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4230         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4231         inline it.</para>
4232
4233         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4234         function can be put anywhere its type signature could be
4235         put.</para>
4236
4237         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4238         good idea for the
4239         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4240         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4241         a monad.  For example, in GHC's own
4242         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4243
4244 <programlisting>
4245 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4246 {-# INLINE thenUs #-}
4247 {-# INLINE returnUs #-}
4248 #endif
4249 </programlisting>
4250
4251         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4252         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4253       </sect3>
4254
4255       <sect3 id="noinline-pragma">
4256         <title>NOINLINE pragma</title>
4257         
4258         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4259         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4260
4261         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4262         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4263         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4264         you're very cautious about code size.</para>
4265
4266         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4267         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4268         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4269         inlining, so it should be used if you want your code to be
4270         portable).</para>
4271       </sect3>
4272
4273       <sect3 id="phase-control">
4274         <title>Phase control</title>
4275
4276         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4277         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4278         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4279         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4280         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4281         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4282         sequence of phase numbers for successive runs of the
4283         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4284         phase number, thus:</para>
4285
4286         <itemizedlist>
4287           <listitem>
4288             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4289             and all subsequent phases":
4290 <programlisting>
4291   {-# INLINE [2] f #-}
4292 </programlisting>
4293             </para>
4294           </listitem>
4295
4296           <listitem>
4297             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4298             phases up to, but not including, Phase 3":
4299 <programlisting>
4300   {-# INLINE [~3] g #-}
4301 </programlisting>
4302             </para>
4303           </listitem>
4304
4305           <listitem>
4306             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4307             all phases".</para>
4308           </listitem>
4309         </itemizedlist>
4310
4311         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4312
4313         <itemizedlist>
4314           <listitem>
4315             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4316             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4317             there was no pragma at all":
4318 <programlisting>
4319   {-# NOINLINE [2] f #-}
4320 </programlisting>
4321             </para>
4322           </listitem>
4323
4324           <listitem>
4325             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4326             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4327             there was no pragma":
4328 <programlisting>
4329   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4330 </programlisting>
4331             </para>
4332           </listitem>
4333
4334           <listitem>
4335             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4336             inline this function".</para>
4337           </listitem>
4338         </itemizedlist>
4339
4340         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4341         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
4342       </sect3>
4343     </sect2>
4344
4345     <sect2 id="line-pragma">
4346       <title>LINE pragma</title>
4347
4348       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4349       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4350       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4351       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4352       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4353       original code; for example</para>
4354
4355 <programlisting>
4356 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
4357 </programlisting>
4358
4359       <para>if you'd generated the current file from something called
4360       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4361       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4362       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4363       pragma.</para>
4364     </sect2>
4365
4366     <sect2 id="options-pragma">
4367       <title>OPTIONS pragma</title>
4368       <indexterm><primary>OPTIONS</primary>
4369       </indexterm>
4370       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS</secondary>
4371       </indexterm>
4372
4373       <para>The <literal>OPTIONS</literal> pragma is used to specify
4374       additional options that are given to the compiler when compiling
4375       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
4376       details.</para>
4377     </sect2>
4378
4379     <sect2 id="rules">
4380       <title>RULES pragma</title>
4381
4382       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4383       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
4384     </sect2>
4385
4386     <sect2 id="specialize-pragma">
4387       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4388
4389       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4390       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4391       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4392
4393       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4394       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4395       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4396       overloaded function:</para>
4397
4398 <programlisting>
4399 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4400 </programlisting>
4401
4402       <para>If it is heavily used on lists with
4403       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4404       follows:</para>
4405
4406 <programlisting>
4407 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4408 </programlisting>
4409
4410       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4411       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4412
4413       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
4414       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
4415       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
4416       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
4417
4418       <para>In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
4419       specialised function for a given type:
4420
4421 <programlisting>
4422 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
4423 </programlisting>
4424
4425       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
4426       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
4427
4428     </sect2>
4429
4430 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4431 <title>SPECIALIZE instance pragma
4432 </title>
4433
4434 <para>
4435 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4436 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4437 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4438
4439 <programlisting>
4440 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4441    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4442    ... usual stuff ...
4443  }
4444 </programlisting>
4445 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4446 of the instance declaration.
4447 </para>
4448 <para>
4449 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4450 of the pragma.
4451 </para>
4452
4453 </sect2>
4454
4455     <sect2 id="unpack-pragma">
4456       <title>UNPACK pragma</title>
4457
4458       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4459       
4460       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4461       that it should unpack the contents of a constructor field into
4462       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4463       example:</para>
4464
4465 <programlisting>
4466 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4467            {-# UNPACK #-} !Float
4468 </programlisting>
4469
4470       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4471       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4472       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
4473       floats passed to a non-strict function for example, they will
4474       have to be reboxed (this is done automatically by the
4475       compiler).</para>
4476
4477       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4478       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4479       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4480       often as possible.  For example:</para>
4481
4482 <programlisting>
4483 f :: T -&#62; Float
4484 f (T f1 f2) = f1 + f2
4485 </programlisting>
4486
4487       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
4488       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
4489       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4490
4491       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
4492       example</para>
4493
4494 <programlisting>
4495 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
4496 </programlisting>
4497
4498       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
4499       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
4500       Multi-level unpacking is also supported:</para>
4501
4502 <programlisting>
4503 data T = T {-# UNPACK #-} !S
4504 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
4505 </programlisting>
4506
4507       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
4508       directly in the <function>T</function> constructor.  The
4509       unpacker can see through newtypes, too.</para>
4510
4511       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
4512       so it might be an idea to check the generated code with
4513       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
4514
4515       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
4516       which essentially has the effect of adding
4517       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
4518       constructor field.</para>
4519     </sect2>
4520
4521 </sect1>
4522
4523 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
4524
4525 <sect1 id="rewrite-rules">
4526 <title>Rewrite rules
4527
4528 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
4529 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
4530 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
4531
4532 <para>
4533 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
4534 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
4535 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
4536 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
4537 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
4538 </para>
4539
4540 <para>
4541 Here is an example:
4542
4543 <programlisting>
4544   {-# RULES
4545         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4546   #-}
4547 </programlisting>
4548
4549 </para>
4550
4551 <sect2>
4552 <title>Syntax</title>
4553
4554 <para>
4555 From a syntactic point of view:
4556
4557 <itemizedlist>
4558 <listitem>
4559
4560 <para>
4561  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
4562 </para>
4563 </listitem>
4564
4565 <listitem>
4566
4567 <para>
4568  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
4569 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
4570 </para>
4571 </listitem>
4572
4573 <listitem>
4574 <para>
4575 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
4576 immediately after the name of the rule.  Thus:
4577 <programlisting>
4578   {-# RULES
4579         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4580   #-}
4581 </programlisting>
4582 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
4583 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
4584 Phase 2.
4585 </para>
4586 </listitem>
4587
4588
4589 <listitem>
4590
4591 <para>
4592  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
4593 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
4594 enclosing definitions.
4595 </para>
4596 </listitem>
4597
4598 <listitem>
4599
4600 <para>
4601  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
4602 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
4603 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
4604 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
4605 </para>
4606 </listitem>
4607 <listitem>
4608
4609 <para>
4610  A pattern variable may optionally have a type signature.
4611 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
4612 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
4613
4614 <programlisting>
4615 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
4616               foldr k z (build g) = g k z
4617 </programlisting>
4618
4619 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
4620
4621 </para>
4622 </listitem>
4623 <listitem>
4624
4625 <para>
4626 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
4627 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
4628
4629 <programlisting>
4630 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
4631 "wrong2"   forall f.      f True = True
4632 </programlisting>
4633
4634 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
4635 in the head.
4636 </para>
4637 </listitem>
4638 <listitem>
4639
4640 <para>
4641  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
4642 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
4643 </para>
4644 </listitem>
4645 <listitem>
4646
4647 <para>
4648  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
4649 </para>
4650 </listitem>
4651
4652 </itemizedlist>
4653
4654 </para>
4655
4656 </sect2>
4657
4658 <sect2>
4659 <title>Semantics</title>
4660
4661 <para>
4662 From a semantic point of view:
4663
4664 <itemizedlist>
4665 <listitem>
4666
4667 <para>
4668 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
4669 </para>
4670 </listitem>
4671
4672 <listitem>
4673 <para>
4674  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
4675 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
4676 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
4677 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
4678 expression by substituting for the pattern variables.
4679
4680 </para>
4681 </listitem>
4682 <listitem>
4683
4684 <para>
4685  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
4686 same type.
4687
4688 </para>
4689 </listitem>
4690 <listitem>
4691
4692 <para>
4693  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
4694 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
4695 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
4696
4697 </para>
4698 </listitem>
4699 <listitem>
4700
4701 <para>
4702  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
4703 terminating.  For example:
4704
4705 <programlisting>
4706   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
4707 </programlisting>
4708
4709 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
4710
4711 </para>
4712 </listitem>
4713 <listitem>
4714
4715 <para>
4716  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
4717
4718 </para>
4719 </listitem>
4720 <listitem>
4721 <para>
4722  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
4723 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
4724 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
4725 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
4726 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
4727 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
4728 </para>
4729
4730 <para>
4731 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
4732 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
4733 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
4734 </para>
4735 </listitem>
4736 <listitem>
4737
4738 <para>
4739  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
4740 For example, consider:
4741
4742 <programlisting>
4743   let s = map f
4744       t = map g
4745   in
4746   s (t xs)
4747 </programlisting>
4748
4749 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
4750 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
4751 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
4752 not be substituted, and the rule would not fire.
4753
4754 </para>
4755 </listitem>
4756 <listitem>
4757
4758 <para>
4759  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
4760 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
4761 for something you can't match against it (given the simple minded
4762 matching).  So if you write the rule
4763
4764 <programlisting>
4765         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
4766 </programlisting>
4767
4768 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
4769 It will only match something written with explicit use of ".".
4770 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
4771
4772 <programlisting>
4773 wibble f g xs
4774 </programlisting>
4775
4776 where <function>wibble</function> is defined:
4777
4778 <programlisting>
4779 wibble f g = map f . map g
4780 </programlisting>
4781
4782 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
4783
4784 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
4785 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
4786 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
4787
4788 </para>
4789 </listitem>
4790 <listitem>
4791
4792 <para>
4793  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
4794 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
4795 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
4796 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
4797 declarations.
4798 </para>
4799 </listitem>
4800
4801 </itemizedlist>
4802
4803 </para>
4804
4805 </sect2>
4806
4807 <sect2>
4808 <title>List fusion</title>
4809
4810 <para>
4811 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
4812 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
4813 intermediate list should be eliminated entirely.
4814 </para>
4815
4816 <para>
4817 The following are good producers:
4818
4819 <itemizedlist>
4820 <listitem>
4821
4822 <para>
4823  List comprehensions
4824 </para>
4825 </listitem>
4826 <listitem>
4827
4828 <para>
4829  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
4830 </para>
4831 </listitem>
4832 <listitem>
4833
4834 <para>
4835  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
4836 </para>
4837 </listitem>
4838 <listitem>
4839
4840 <para>
4841  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
4842 </para>
4843 </listitem>
4844 <listitem>
4845
4846 <para>
4847  <function>++</function>
4848 </para>
4849 </listitem>
4850
4851 <listitem>
4852 <para>
4853  <function>map</function>
4854 </para>
4855 </listitem>
4856
4857 <listitem>
4858 <para>
4859  <function>filter</function>
4860 </para>
4861 </listitem>
4862 <listitem>
4863
4864 <para>
4865  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
4866 </para>
4867 </listitem>
4868 <listitem>
4869
4870 <para>
4871  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
4872 </para>
4873 </listitem>
4874
4875 </itemizedlist>
4876
4877 </para>
4878
4879 <para>
4880 The following are good consumers:
4881
4882 <itemizedlist>
4883 <listitem>
4884
4885 <para>
4886  List comprehensions
4887 </para>
4888 </listitem>
4889 <listitem>
4890
4891 <para>
4892  <function>array</function> (on its second argument)
4893 </para>
4894 </listitem>
4895 <listitem>
4896
4897 <para>
4898  <function>length</function>
4899 </para>
4900 </listitem>
4901 <listitem>
4902
4903 <para>
4904  <function>++</function> (on its first argument)
4905 </para>
4906 </listitem>
4907
4908 <listitem>
4909 <para>
4910  <function>foldr</function>
4911 </para>
4912 </listitem>
4913
4914 <listitem>
4915 <para>
4916  <function>map</function>
4917 </para>
4918 </listitem>
4919 <listitem>
4920
4921 <para>
4922  <function>filter</function>
4923 </para>
4924 </listitem>
4925 <listitem>
4926
4927 <para>
4928  <function>concat</function>
4929 </para>
4930 </listitem>
4931 <listitem>
4932
4933 <para>
4934  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
4935 </para>
4936 </listitem>
4937 <listitem>
4938
4939 <para>
4940  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
4941 will fuse with one but not the other)
4942 </para>
4943 </listitem>
4944 <listitem>
4945
4946 <para>
4947  <function>partition</function>
4948 </para>
4949 </listitem>
4950 <listitem>
4951
4952 <para>
4953  <function>head</function>
4954 </para>
4955 </listitem>
4956 <listitem>
4957
4958 <para>
4959  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
4960 </para>
4961 </listitem>
4962 <listitem>
4963
4964 <para>
4965  <function>sequence&lowbar;</function>
4966 </para>
4967 </listitem>
4968 <listitem>
4969
4970 <para>
4971  <function>msum</function>
4972 </para>
4973 </listitem>
4974 <listitem>
4975
4976 <para>
4977  <function>sortBy</function>
4978 </para>
4979 </listitem>
4980
4981 </itemizedlist>
4982
4983 </para>
4984
4985  <para>
4986 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
4987
4988 <programlisting>
4989 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
4990 </programlisting>
4991
4992 </para>
4993
4994 <para>
4995 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
4996 a lot which are not included, please tell us.
4997 </para>
4998
4999 <para>
5000 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5001 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5002 </para>
5003
5004 </sect2>
5005
5006 <sect2 id="rule-spec">
5007 <title>Specialisation
5008 </title>
5009
5010 <para>
5011 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5012 present in earlier versions of GHC.
5013 For example, suppose that:
5014
5015 <programlisting>
5016 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5017 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5018 </programlisting>
5019
5020 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5021 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5022 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5023 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5024 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5025 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5026 It used to be possible to write
5027
5028 <programlisting>
5029 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5030 </programlisting>
5031
5032 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5033
5034 <programlisting>
5035 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5036 </programlisting>
5037
5038 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5039 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5040 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5041 What is more, this rule does not need to be in the same
5042 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5043 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5044 have an original definition available to specialise).
5045 </para>
5046
5047 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5048 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5049 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5050
5051 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5052 specialisation will Win Big:
5053
5054 <programlisting>
5055 toDouble :: Real a => a -> Double
5056 toDouble = fromRational . toRational
5057
5058 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5059 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5060 </programlisting>
5061
5062 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5063 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5064 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5065 comparison.
5066 </para>
5067
5068 </sect2>
5069
5070 <sect2>
5071 <title>Controlling what's going on</title>
5072
5073 <para>
5074
5075 <itemizedlist>
5076 <listitem>
5077
5078 <para>
5079  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5080 </para>
5081 </listitem>
5082 <listitem>
5083
5084 <para>
5085  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5086 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5087 </para>
5088 </listitem>
5089 <listitem>
5090
5091 <para>
5092  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5093
5094 <programlisting>
5095         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5096         {-# INLINE build #-}
5097         build g = g (:) []
5098 </programlisting>
5099
5100 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5101 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5102 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5103 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5104
5105 </para>
5106 </listitem>
5107 <listitem>
5108
5109 <para>
5110  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5111 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5112 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5113 </para>
5114 </listitem>
5115
5116 </itemizedlist>
5117
5118 </para>
5119
5120 </sect2>
5121
5122 <sect2 id="core-pragma">
5123   <title>CORE pragma</title>
5124
5125   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5126   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5127   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5128
5129 <para>
5130   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5131   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5132   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5133   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5134   literal as an argument.  The following function definition shows an
5135   example:
5136
5137 <programlisting>
5138 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5139 </programlisting>
5140
5141   Semantically, this is equivalent to:
5142
5143 <programlisting>
5144 g x = show x
5145 </programlisting>
5146 </para>
5147
5148 <para>
5149   However, when external for is generated (via
5150   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5151   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5152   The core function declaration for <function>f</function> is:
5153 </para>
5154
5155 <programlisting>
5156   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5157                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5158     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5159         (%note "foo"
5160          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5161            {GHCziShow.ZCDShow
5162             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5163                    a ->
5164                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5165 r)
5166             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5167             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5168                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5169 r) ->
5170               tpl2})
5171         (%note "foo"
5172          eta);
5173 </programlisting>
5174
5175 <para>
5176   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5177   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5178   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5179   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5180   <varname>x</varname>).
5181 </para>
5182
5183 </sect2>
5184
5185 </sect1>
5186
5187 <sect1 id="generic-classes">
5188 <title>Generic classes</title>
5189
5190     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5191     GHC 5.02).</para>
5192
5193 <para>
5194 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5195 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5196 An example will give the idea:
5197 </para>
5198
5199 <programlisting>
5200   import Generics
5201
5202   class Bin a where
5203     toBin   :: a -> [Int]
5204     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5205   
5206     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5207     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5208     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5209     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5210   
5211     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5212     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5213     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5214     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5215                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5216 </programlisting>
5217 <para>
5218 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5219 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5220 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5221 </para>
5222 <programlisting>
5223   data Unit    = Unit
5224   data a :+: b = Inl a | Inr b
5225   data a :*: b = a :*: b
5226 </programlisting>
5227 <para>
5228 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5229 <programlisting>
5230   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5231   instance Bin a => Bin [a]
5232 </programlisting>
5233 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5234 where clause and over-ride whichever methods you please.
5235 </para>
5236
5237     <sect2>
5238       <title> Using generics </title>
5239       <para>To use generics you need to</para>
5240       <itemizedlist>
5241         <listitem>
5242           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5243                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5244                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5245                 available.  </para>
5246         </listitem>
5247         <listitem>
5248           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5249           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5250           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5251           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5252           don't need this import if you don't mention these types
5253           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5254           declarations.)</para>
5255         </listitem>
5256       </itemizedlist>
5257     </sect2>
5258
5259 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5260 <para>
5261 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5262 can be written infix (indeed, you can now use
5263 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5264 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5265 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5266 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5267 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5268 anticipate wanting).
5269 </para>
5270 </sect2>
5271
5272 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5273 <para>
5274 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5275 is one that is defined using type patterns as above.
5276 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5277 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5278 generic default method.
5279 </para>
5280
5281 <para>
5282 Restrictions:
5283 <itemizedlist>
5284 <listitem>
5285 <para>
5286 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5287 field labels.
5288 </para>
5289 </listitem>
5290
5291 <listitem>
5292 <para>
5293 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5294 multi-parameter class.
5295 </para>
5296 </listitem>
5297
5298 <listitem>
5299 <para>
5300 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5301 without.  So this is illegal:
5302 <programlisting>
5303   class Foo a where
5304     op :: a -> (a, Bool)
5305     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5306     op x               = (x,    False)
5307 </programlisting>
5308 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5309 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5310 </para>
5311 </listitem>
5312
5313 <listitem>
5314 <para>
5315 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5316 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:
5317 <programlisting>
5318   class Foo a where
5319     op :: a -> Bool
5320     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5321     ...
5322 </programlisting>
5323 </para>
5324 </listitem>
5325
5326 <listitem>
5327 <para>
5328 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5329 <programlisting>
5330        a :+: b
5331        a :*: b
5332        Unit
5333 </programlisting>
5334 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5335 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5336 must use the same type variables.  So this is illegal:
5337 <programlisting>
5338   class Foo a where
5339     op :: a -> Bool
5340     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5341     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5342 </programlisting>
5343 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5344 So this too is illegal:
5345 <programlisting>
5346   class Foo a where
5347     op1 :: a -> Bool
5348     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5349
5350     op2 :: a -> Bool
5351     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5352 </programlisting>
5353 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5354 into a single generic instance declaration.)
5355 </para>
5356 </listitem>
5357
5358 <listitem>
5359 <para>
5360 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5361 </para>
5362 </listitem>
5363
5364 <listitem>
5365 <para>
5366 The type for a generic method can be built only from:
5367   <itemizedlist>
5368   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5369   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5370   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5371   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5372   </itemizedlist>
5373 Here are some example type signatures for generic methods:
5374 <programlisting>
5375     op1 :: a -> Bool
5376     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5377     op3 :: [Int] -> a -> a
5378     op4 :: [a] -> Bool
5379 </programlisting>
5380 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5381 inside a list.  
5382 </para>
5383 <para>
5384 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5385 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5386 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5387 to the ones that are allowed.</para>
5388 </listitem>
5389
5390 <listitem>
5391 <para>
5392 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5393 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5394 do so if
5395   <itemizedlist>
5396   <listitem>
5397   <para>
5398   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5399   </para>
5400   </listitem>
5401   <listitem>
5402   <para>
5403   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5404   </para>
5405   </listitem>
5406   </itemizedlist>
5407 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5408 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5409 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5410 </para>
5411 </listitem>
5412
5413 </itemizedlist>
5414 </para>
5415
5416 <para>
5417 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5418 what the compiler does with generic declarations.
5419 </para>
5420
5421 </sect2>
5422
5423 <sect2> <title> Another example </title>
5424 <para>
5425 Just to finish with, here's another example I rather like:
5426 <programlisting>
5427   class Tag a where
5428     nCons :: a -> Int
5429     nCons {| Unit |}    _ = 1
5430     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5431     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5432   
5433     tag :: a -> Int
5434     tag {| Unit |}    _       = 1
5435     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5436     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5437     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5438 </programlisting>
5439 </para>
5440 </sect2>
5441 </sect1>
5442
5443
5444
5445 <!-- Emacs stuff:
5446      ;;; Local Variables: ***
5447      ;;; mode: xml ***
5448      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
5449      ;;; End: ***
5450  -->
5451