[project @ 2005-08-09 16:08:03 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>-fimplicit-params</option></term>
223         <listitem>
224           <para>Enables implicit parameters (see <xref
225           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
226           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
227
228           <para>Syntax stolen:
229           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
230           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
231         </listitem>
232       </varlistentry>
233
234       <varlistentry>
235         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
236         <listitem>
237           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
238           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
239           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
240         </listitem>
241       </varlistentry>
242
243       <varlistentry>
244         <term><option>-fth</option></term>
245         <listitem>
246           <para>Enables Template Haskell (see <xref
247           linkend="template-haskell"/>).  Currently also implied by
248           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
249
250           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
251           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
252           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
253           <literal>$(</literal>,
254           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
255         </listitem>
256       </varlistentry>
257
258     </variablelist>
259   </sect1>
260
261 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
262 <!--    included from primitives.sgml  -->
263 <!-- &primitives; -->
264 <sect1 id="primitives">
265   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
266
267 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
268 While you really can use this stuff to write fast code,
269   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
270   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
271   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
272   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
273   about it.</para>
274
275 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
276 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
277 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
278 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
279
280 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
281 work over those types, is held in the file
282 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
283 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
284 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
285
286 <para> Indeed,
287 the result of such processing is part of the description of the 
288  <ulink
289       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
290          Core language</ulink>.
291 So that document is a good place to look for a type-set version.
292 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
293 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
294 we could include the results here in the User Guide.</para>
295
296 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
297   
298 <sect2 id="glasgow-unboxed">
299 <title>Unboxed types
300 </title>
301
302 <para>
303 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
304 </para>
305
306 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
307 that values of that type are represented by a pointer to a heap
308 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
309 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
310 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
311 allocation are involved.
312 </para>
313
314 <para>
315 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
316 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
317 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
318 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
319 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
320 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
321 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
322 know and love&mdash;usually one instruction.
323 </para>
324
325 <para>
326 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
327 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
328 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
329 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
330 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
331 </para>
332
333 <para>
334 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
335 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
336 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
337 a primitive value might be represented by a pointer to a
338 heap-allocated object.  Examples include
339 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
340 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
341 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
342 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
343 represents a primitive value, then it really does point to that value:
344 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
345 other end of the pointer than the primitive value.
346 A numerically-intensive program using unboxed types can
347 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
348 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
349 </para>
350
351 <para>
352 There are some restrictions on the use of primitive types:
353 <itemizedlist>
354 <listitem><para>The main restriction
355 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
356 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
357 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
358 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
359 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
360 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
361 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
362 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
363 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
364 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
365 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
366 </para>
367 </listitem>
368 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
369 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
370 </para></listitem>
371 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
372 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
373 </para></listitem>
374 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
375 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
376 pattern-match
377 to become strict.  For example:
378 <programlisting>
379   data Foo = Foo Int Int#
380
381   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
382 </programlisting>
383 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
384 match
385 is strict, and the program behaves as if you had written
386 <programlisting>
387   data Foo = Foo Int Int#
388
389   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
390 </programlisting>
391 </para>
392 </listitem>
393 </itemizedlist>
394 </para>
395
396 </sect2>
397
398 <sect2 id="unboxed-tuples">
399 <title>Unboxed Tuples
400 </title>
401
402 <para>
403 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
404 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
405 unboxed tuple looks like this:
406 </para>
407
408 <para>
409
410 <programlisting>
411 (# e_1, ..., e_n #)
412 </programlisting>
413
414 </para>
415
416 <para>
417 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
418 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
419 the same.
420 </para>
421
422 <para>
423 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
424 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
425 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
426 components are put directly into registers or on the stack; the
427 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
428 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
429 tuples.
430 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
431 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
432 </para>
433
434 <para>
435 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
436 <itemizedlist>
437 <listitem>
438
439 <para>
440 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
441 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
442 structures or passed to polymorphic functions.
443
444 </para>
445 </listitem>
446 <listitem>
447
448 <para>
449 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
450 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
451
452
453 <programlisting>
454   data Foo = Foo (# Int, Int #)
455
456   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
457   f x = x
458
459   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
460   g (# a,b #) = a
461
462   h x = let y = (# x,x #) in ...
463 </programlisting>
464 </para>
465 </listitem>
466 </itemizedlist>
467 </para>
468 <para>
469 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
470 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
471 <programlisting>
472   f x y = (# x+1, y-1 #)
473   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
474 </programlisting>
475 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
476 <programlisting>
477   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
478 </programlisting>
479 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
480 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
481 above example desugars like this:
482 <programlisting>
483   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
484             p = fst t
485             q = snd t
486         in ..body..
487 </programlisting>
488 Indeed, the bindings can even be recursive.
489 </para>
490
491 </sect2>
492 </sect1>
493
494
495 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
496
497 <sect1 id="syntax-extns">
498 <title>Syntactic extensions</title>
499  
500     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
501
502     <sect2 id="hierarchical-modules">
503       <title>Hierarchical Modules</title>
504
505       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
506       names: a module name is allowed to contain a dot
507       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
508       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
509       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
510       more flexible hierarchy of modules.</para>
511
512       <para>This extension has very little impact on the language
513       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
514       qualified, so you can just think of the fully qualified module
515       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
516       means that the full module name must be given after the
517       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
518       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
519       begin</para>
520
521 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
522
523
524       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
525       keyword to save some typing when using qualified names with
526       hierarchical modules.  For example:</para>
527
528 <programlisting>
529 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
530 </programlisting>
531
532       <para>For details on how GHC searches for source and interface
533       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
534       linkend="search-path"/>.</para>
535
536       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
537       hierarchically; see the accompanying library documentation.
538       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
539       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
540       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
541       current status of that project.  For more details, see <ulink
542       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
543       Libraries</ulink>.</para>
544
545     </sect2>
546
547     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
548
549 <sect2 id="pattern-guards">
550 <title>Pattern guards</title>
551
552 <para>
553 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
554 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.)
555 </para>
556
557 <para>
558 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
559 lookup operation:
560
561 <programlisting>
562 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
563 </programlisting>
564
565 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
566 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
567 </para>
568
569 <programlisting>
570 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
571 | otherwise  = var1 + var2
572 where
573   m1 = lookup env var1
574   m2 = lookup env var2
575   ok1 = maybeToBool m1
576   ok2 = maybeToBool m2
577   val1 = expectJust m1
578   val2 = expectJust m2
579 </programlisting>
580
581 <para>
582 The auxiliary functions are 
583 </para>
584
585 <programlisting>
586 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
587 maybeToBool (Just x) = True
588 maybeToBool Nothing  = False
589
590 expectJust :: Maybe a -&gt; a
591 expectJust (Just x) = x
592 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
593 </programlisting>
594
595 <para>
596 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
597 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
598 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
599 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
600 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
601 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
602 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
603 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
604 </para>
605
606 <para>
607 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
608 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
609 to write clunky would be to use case expressions:
610 </para>
611
612 <programlisting>
613 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
614   Nothing -&gt; fail
615   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
616     Nothing -&gt; fail
617     Just val2 -&gt; val1 + val2
618 where
619   fail = val1 + val2
620 </programlisting>
621
622 <para>
623 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
624 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
625 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
626 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
627 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
628 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
629 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
630 tends to become more and more indented. 
631 </para>
632
633 <para>
634 Here is how I would write clunky:
635 </para>
636
637 <programlisting>
638 clunky env var1 var1
639   | Just val1 &lt;- lookup env var1
640   , Just val2 &lt;- lookup env var2
641   = val1 + val2
642 ...other equations for clunky...
643 </programlisting>
644
645 <para>
646 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
647 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
648 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
649 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
650 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
651 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
652 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
653 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
654 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
655 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
656 </para>
657
658 <para>
659 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
660 with among the pattern guards.  For example:
661 </para>
662
663 <programlisting>
664 f x | [y] &lt;- x
665     , y > 3
666     , Just z &lt;- h y
667     = ...
668 </programlisting>
669
670 <para>
671 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
672 qualifier list has just one element, a boolean expression.
673 </para>
674 </sect2>
675
676     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
677
678 <sect2 id="mdo-notation">
679 <title>The recursive do-notation
680 </title>
681
682 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
683 "A recursive do for Haskell",
684 Levent Erkok, John Launchbury",
685 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
686 </para>
687 <para>
688 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
689 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
690 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
691 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
692 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
693 </para>
694 <para>
695 Here is a simple (yet contrived) example:
696 </para>
697 <programlisting>
698 import Control.Monad.Fix
699
700 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
701                return xs
702 </programlisting>
703 <para>
704 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
705 </para>
706
707 <para>
708 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
709 </para>
710 <programlisting>
711 class Monad m => MonadFix m where
712    mfix :: (a -> m a) -> m a
713 </programlisting>
714 <para>
715 The function <literal>mfix</literal>
716 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
717 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
718 For details, see the above mentioned reference.
719 </para>
720 <para>
721 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
722 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
723 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
724 </para>
725 <para>
726 There are three important points in using the recursive-do notation:
727 <itemizedlist>
728 <listitem><para>
729 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
730 than <literal>do</literal>).
731 </para></listitem>
732
733 <listitem><para>
734 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
735 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
736 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
737 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
738 </para></listitem>
739
740 <listitem><para>
741 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
742 </para></listitem>
743 </itemizedlist>
744 </para>
745
746 <para>
747 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
748 contains up to date information on recursive monadic bindings.
749 </para>
750
751 <para>
752 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
753 of the existing documents) used the name
754 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
755 This name is not supported by GHC.
756 </para>
757
758 </sect2>
759
760
761    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
762
763   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
764     <title>Parallel List Comprehensions</title>
765     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
766     </indexterm>
767     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
768     </indexterm>
769
770     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
771     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
772     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
773     extend this to include the zipWith family.</para>
774
775     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
776     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
777     example, the following zips together two lists:</para>
778
779 <programlisting>
780    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
781 </programlisting>
782
783     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
784     zip, in that the resulting list will have the same length as the
785     shortest branch.</para>
786
787     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
788     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
789
790     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
791
792 <programlisting>
793    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
794        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
795        ... 
796    ] 
797 </programlisting>
798
799     <para>This will be translated to: </para>
800
801 <programlisting>
802    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
803                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
804                                          ... 
805    ] 
806 </programlisting>
807
808     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
809     branches.</para>
810
811   </sect2>
812
813 <sect2 id="rebindable-syntax">
814 <title>Rebindable syntax</title>
815
816
817       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
818       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
819       with a home-grown version, for example.</para>
820
821             <para>You may want to define your own numeric class
822             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
823             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
824             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
825             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
826             the following pieces of built-in syntax to refer to
827             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
828             versions:
829
830             <itemizedlist>
831               <listitem>
832                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
833                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
834                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
835 </para> </listitem>         
836
837       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
838           except that the translation is 
839               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
840 </para> </listitem>         
841
842           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
843               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
844 </para> </listitem>         
845
846           <listitem><para>The subtraction operation, and the
847           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
848               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
849               </para></listitem>
850
851               <listitem>
852                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
853                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
854                 patterns, and expressions.
855               </para></listitem>
856
857               <listitem>
858           <para>"Do" notation is translated using whatever
859               functions <literal>(>>=)</literal>,
860               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
861               are in scope (not the Prelude
862               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
863               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
864
865               <listitem>
866                 <para>Arrow
867                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
868                 uses whatever <literal>arr</literal>,
869                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
870                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
871                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
872                 other constructs, the types of these functions must match the
873                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
874                 to use this, ask!
875               </para></listitem>
876             </itemizedlist>
877 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
878 even if that is a little unexpected. For emample, the 
879 static semantics of the literal <literal>368</literal>
880 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
881 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
882 <programlisting>
883 fromInteger :: Integer -> Integer
884 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
885 fromInteger :: Num a => a -> Integer
886 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
887 </programlisting>
888 </para>
889                 
890              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
891              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
892              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
893              you should be all right.</para>
894
895 </sect2>
896 </sect1>
897
898
899 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
900 <sect1 id="type-extensions">
901 <title>Type system extensions</title>
902
903
904 <sect2>
905 <title>Data types and type synonyms</title>
906
907 <sect3 id="nullary-types">
908 <title>Data types with no constructors</title>
909
910 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
911 a data type with no constructors.  For example:</para>
912
913 <programlisting>
914   data S      -- S :: *
915   data T a    -- T :: * -> *
916 </programlisting>
917
918 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
919 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
920 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
921 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
922
923 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
924 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
925 </sect3>
926
927 <sect3 id="infix-tycons">
928 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
929
930 <para>
931 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
932 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
933 <itemizedlist>
934 <listitem><para>
935   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
936   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
937   </para></listitem>
938 <listitem><para>
939   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
940   if you want further arguments.  E.g.
941 <screen>
942   data a :*: b = Foo a b
943   type a :+: b = Either a b
944   class a :=: b where ...
945
946   data (a :**: b) x = Baz a b x
947   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
948 </screen>
949   </para></listitem>
950 <listitem><para>
951   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
952   <screen>
953         x :: Int :*: Bool
954         f :: (a :=: b) => a -> b
955   </screen>
956   </para></listitem>
957 <listitem><para>
958   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
959   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
960   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
961   parenthesised.  For example:
962 <programlisting>
963    type T (+) = Int + Int
964    f :: T Either
965    f = Left 3
966  
967    liftA2 :: Arrow (~>)
968           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
969    liftA2 = ...
970 </programlisting>
971   </para></listitem>
972 <listitem><para>
973   Back-quotes work
974   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
975   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
976   </para></listitem>
977 <listitem><para>
978   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
979   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
980   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
981 <screen>
982   infixl 7 T, :*:
983 </screen>
984   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
985   and similarly for <literal>:*:</literal>.
986   <literal>Int `a` Bool</literal>.
987   </para></listitem>
988 <listitem><para>
989   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
990   </para></listitem>
991
992 </itemizedlist>
993 </para>
994 </sect3>
995
996 <sect3 id="type-synonyms">
997 <title>Liberalised type synonyms</title>
998
999 <para>
1000 Type synonyms are like macros at the type level, and
1001 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1002 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1003 <itemizedlist>
1004 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1005 in a type synonym, thus:
1006 <programlisting>
1007   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1008
1009   f :: Discard a
1010   f x y = (x, show y)
1011
1012   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1013   g f = f Int True
1014 </programlisting>
1015 </para>
1016 </listitem>
1017
1018 <listitem><para>
1019 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1020 <programlisting>
1021   type Pr = (# Int, Int #)
1022
1023   h :: Int -> Pr
1024   h x = (# x, x #)
1025 </programlisting>
1026 </para></listitem>
1027
1028 <listitem><para>
1029 You can apply a type synonym to a forall type:
1030 <programlisting>
1031   type Foo a = a -> a -> Bool
1032  
1033   f :: Foo (forall b. b->b)
1034 </programlisting>
1035 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1036 <programlisting>
1037   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1038 </programlisting>
1039 </para></listitem>
1040
1041 <listitem><para>
1042 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1043 <programlisting>
1044   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1045   type Id x = x
1046   
1047   foo :: Generic Id []
1048 </programlisting>
1049 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1050 <programlisting>
1051   foo :: forall x. x -> [x]
1052 </programlisting>
1053 </para></listitem>
1054
1055 </itemizedlist>
1056 </para>
1057
1058 <para>
1059 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1060 could be changed.)
1061 </para>
1062 <para>
1063 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1064 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1065 <itemizedlist>
1066 <listitem><para>
1067 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1068 </para></listitem>
1069 <listitem><para>
1070 Unboxed tuple on left of an arrow.
1071 </para></listitem>
1072 <listitem><para>
1073 Partially-applied type synonym.
1074 </para></listitem>
1075 </itemizedlist>
1076 So, for example,
1077 this will be rejected:
1078 <programlisting>
1079   type Pr = (# Int, Int #)
1080
1081   h :: Pr -> Int
1082   h x = ...
1083 </programlisting>
1084 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1085 </para>
1086 </sect3>
1087
1088
1089 <sect3 id="existential-quantification">
1090 <title>Existentially quantified data constructors
1091 </title>
1092
1093 <para>
1094 The idea of using existential quantification in data type declarations
1095 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1096 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1097 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1098 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1099 </para>
1100
1101 <para>
1102
1103 <programlisting>
1104   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1105            | Nil
1106 </programlisting>
1107
1108 </para>
1109
1110 <para>
1111 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1112 </para>
1113
1114 <para>
1115
1116 <programlisting>
1117   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1118   Nil   :: Foo
1119 </programlisting>
1120
1121 </para>
1122
1123 <para>
1124 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1125 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1126 For example, the following expression is fine:
1127 </para>
1128
1129 <para>
1130
1131 <programlisting>
1132   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1133 </programlisting>
1134
1135 </para>
1136
1137 <para>
1138 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1139 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1140 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1141 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1142 </para>
1143
1144 <para>
1145 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1146 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1147 </para>
1148
1149 <para>
1150
1151 <programlisting>
1152   f (MkFoo val fn) = ???
1153 </programlisting>
1154
1155 </para>
1156
1157 <para>
1158 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1159 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1160 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1161 </para>
1162
1163 <para>
1164
1165 <programlisting>
1166   f :: Foo -> Bool
1167   f (MkFoo val fn) = fn val
1168 </programlisting>
1169
1170 </para>
1171
1172 <para>
1173 What this allows us to do is to package heterogenous values
1174 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1175 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1176 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1177 </para>
1178
1179 <sect4 id="existential">
1180 <title>Why existential?
1181 </title>
1182
1183 <para>
1184 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1185 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1186 </para>
1187
1188 <para>
1189
1190 <programlisting>
1191   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1192 </programlisting>
1193
1194 </para>
1195
1196 <para>
1197 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1198 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1199 adding a new existential quantification construct.
1200 </para>
1201
1202 </sect4>
1203
1204 <sect4>
1205 <title>Type classes</title>
1206
1207 <para>
1208 An easy extension (implemented in <command>hbc</command>) is to allow
1209 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1210 </para>
1211
1212 <para>
1213
1214 <programlisting>
1215 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1216          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1217 </programlisting>
1218
1219 </para>
1220
1221 <para>
1222 The two constructors have the types you'd expect:
1223 </para>
1224
1225 <para>
1226
1227 <programlisting>
1228 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1229 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1230 </programlisting>
1231
1232 </para>
1233
1234 <para>
1235 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1236 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1237 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1238 So this program is legal:
1239 </para>
1240
1241 <para>
1242
1243 <programlisting>
1244   f :: Baz -> String
1245   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1246                | otherwise = "No"
1247   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1248 </programlisting>
1249
1250 </para>
1251
1252 <para>
1253 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1254 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1255 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1256 extract it on pattern matching.
1257 </para>
1258
1259 <para>
1260 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1261 universal quantification earlier.
1262 </para>
1263
1264 </sect4>
1265
1266 <sect4>
1267 <title>Restrictions</title>
1268
1269 <para>
1270 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1271 constructors can be use.
1272 </para>
1273
1274 <para>
1275
1276 <itemizedlist>
1277 <listitem>
1278
1279 <para>
1280  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1281 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1282 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1283 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1284
1285
1286 <programlisting>
1287 f1 (MkFoo a f) = a
1288 </programlisting>
1289
1290
1291 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1292 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1293 ask what type <function>f1</function> has:
1294
1295
1296 <programlisting>
1297   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1298 </programlisting>
1299
1300
1301 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1302 this:
1303
1304
1305 <programlisting>
1306   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1307 </programlisting>
1308
1309
1310 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1311
1312
1313 <programlisting>
1314   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1315 </programlisting>
1316
1317
1318 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1319 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1320 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1321
1322
1323 </para>
1324 </listitem>
1325 <listitem>
1326
1327 <para>
1328 You can't pattern-match on an existentially quantified
1329 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1330 bindings. So this is illegal:
1331
1332
1333 <programlisting>
1334   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1335 </programlisting>
1336
1337 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1338
1339 <programlisting>
1340   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1341 </programlisting>
1342
1343 In general, you can only pattern-match
1344 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1345 in the patterns of a function definition.
1346
1347 The reason for this restriction is really an implementation one.
1348 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1349 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1350 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1351 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1352 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1353 annoying it is.
1354
1355 </para>
1356 </listitem>
1357 <listitem>
1358
1359 <para>
1360 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1361 declarations.  So this is illegal:
1362
1363
1364 <programlisting>
1365   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1366 </programlisting>
1367
1368
1369 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1370 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1371 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1372 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1373 You can get just the same efficiency and effect by using
1374 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1375 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1376 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1377 because the <literal>data</literal> version does carry an
1378 implementation cost, but single-field existentially quantified
1379 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1380 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1381 are convincing reasons to change it.
1382
1383
1384 </para>
1385 </listitem>
1386 <listitem>
1387
1388 <para>
1389  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1390 data type with existentially quantified data constructors.
1391
1392 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1393
1394 <programlisting>
1395 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1396 </programlisting>
1397
1398 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1399 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1400
1401 <programlisting>
1402 instance Eq T where
1403   (MkT a) == (MkT b) = ???
1404 </programlisting>
1405
1406 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1407 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1408 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1409 declarations.  Define your own instances!
1410 </para>
1411 </listitem>
1412
1413 </itemizedlist>
1414
1415 </para>
1416
1417 </sect4>
1418 </sect3>
1419
1420 </sect2>
1421
1422
1423
1424 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1425 <title>Class declarations</title>
1426
1427 <para>
1428 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
1429 classes.  There's lots of background in the paper <ulink
1430 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1431 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1432 Jones, Erik Meijer).
1433 </para>
1434 <para>
1435 There are the following constraints on class declarations:
1436 <orderedlist>
1437 <listitem>
1438
1439 <para>
1440  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1441
1442
1443 <programlisting>
1444   class Collection c a where
1445     union :: c a -> c a -> c a
1446     ...etc.
1447 </programlisting>
1448
1449
1450
1451 </para>
1452 </listitem>
1453 <listitem>
1454
1455 <para>
1456  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1457 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1458 this is OK:
1459
1460
1461 <programlisting>
1462   class C a where {
1463     op :: D b => a -> b -> b
1464   }
1465
1466   class C a => D a where { ... }
1467 </programlisting>
1468
1469
1470 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1471 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1472 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1473
1474 </para>
1475 </listitem>
1476 <listitem>
1477
1478 <para>
1479  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1480 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1481 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1482
1483
1484 <programlisting>
1485   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1486     ...
1487
1488   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1489     lift :: m a -> (t m) a
1490 </programlisting>
1491
1492
1493 </para>
1494 </listitem>
1495
1496 <listitem>
1497
1498 <para>
1499  <emphasis>All of the class type variables must be reachable (in the sense 
1500 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1501 from the free variables of each method type
1502 </emphasis>.  For example:
1503
1504
1505 <programlisting>
1506   class Coll s a where
1507     empty  :: s
1508     insert :: s -> a -> s
1509 </programlisting>
1510
1511
1512 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1513 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1514 types, and has the same motivation.
1515
1516 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1517 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1518
1519
1520 <programlisting>
1521   class Coll s a where
1522     empty  :: s a
1523     insert :: s a -> a -> s a
1524 </programlisting>
1525
1526
1527 which makes the connection between the type of a collection of
1528 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1529 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1530 class like this:
1531
1532
1533 <programlisting>
1534   class CollE s where
1535     empty  :: s
1536
1537   class CollE s => Coll s a where
1538     insert :: s -> a -> s
1539 </programlisting>
1540
1541
1542 </para>
1543 </listitem>
1544
1545 </orderedlist>
1546 </para>
1547
1548 <sect3 id="class-method-types">
1549 <title>Class method types</title>
1550 <para>
1551 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1552 class type variable, thus:
1553 <programlisting>
1554   class Seq s a where
1555     fromList :: [a] -> s a
1556     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1557 </programlisting>
1558 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1559 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1560 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1561 </para>
1562 <para>
1563 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
1564 </para>
1565
1566 </sect3>
1567
1568 </sect2>
1569
1570 <sect2 id="type-restrictions">
1571 <title>Type signatures</title>
1572
1573 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1574 <para>
1575 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1576 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1577 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1578 these type signatures are perfectly OK
1579 <programlisting>
1580   g :: Eq [a] => ...
1581   g :: Ord (T a ()) => ...
1582 </programlisting>
1583 </para>
1584 <para>
1585 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1586 Consider the type:
1587
1588 <programlisting>
1589   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1590 </programlisting>
1591
1592 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1593 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1594 explicit source-language type signature are universally quantified,
1595 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1596 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
1597 </para>
1598
1599 <para>
1600
1601 <orderedlist>
1602 <listitem>
1603
1604 <para>
1605  <emphasis>Each universally quantified type variable
1606 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1607
1608 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
1609 in the same constraint as either a type variable free in in
1610 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
1611 A value with a type that does not obey 
1612 this reachability restriction cannot be used without introducing
1613 ambiguity; that is why the type is rejected.
1614 Here, for example, is an illegal type:
1615
1616
1617 <programlisting>
1618   forall a. Eq a => Int
1619 </programlisting>
1620
1621
1622 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1623 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1624 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1625 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1626 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1627 get any more information about <literal>tv</literal>.
1628 </para>
1629 <para>
1630 Note
1631 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
1632 functionally dependent on a type variable free in
1633 <literal>type</literal> (see <xref
1634 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
1635 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
1636 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
1637 For example, consider:
1638 <programlisting>
1639   class C a b | a -> b where ...
1640   class C a b => D a b where ...
1641   f :: forall a b. D a b => a -> a
1642 </programlisting>
1643 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
1644 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
1645 </para>
1646 </listitem>
1647 <listitem>
1648
1649 <para>
1650  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1651 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1652
1653 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1654 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1655
1656
1657 <programlisting>
1658   forall a. C a b => burble
1659 </programlisting>
1660
1661
1662 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1663 mention <literal>a</literal>:
1664
1665
1666 <programlisting>
1667   forall a. Eq b => burble
1668 </programlisting>
1669
1670
1671 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1672 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1673 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1674 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1675 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1676 territory free in case we need it later.
1677
1678 </para>
1679 </listitem>
1680
1681 </orderedlist>
1682
1683 </para>
1684 </sect3>
1685
1686 <sect3 id="hoist">
1687 <title>For-all hoisting</title>
1688 <para>
1689 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
1690 end of an arrow, thus:
1691 <programlisting>
1692   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1693
1694   g :: Int -> Discard Int
1695   g x y z = x+y
1696 </programlisting>
1697 Simply expanding the type synonym would give
1698 <programlisting>
1699   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1700 </programlisting>
1701 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1702 <programlisting>
1703   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1704 </programlisting>
1705 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1706 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1707 performs the transformation:</emphasis>
1708 <programlisting>
1709   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1710 ==>
1711   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1712 </programlisting>
1713 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1714 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1715 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1716 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1717 <programlisting>
1718   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1719 </programlisting>
1720 </para>
1721 <para>
1722 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
1723 example:
1724 <programlisting>
1725   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
1726   g :: Foo (Foo Int)
1727 </programlisting>
1728 means
1729 <programlisting>
1730   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
1731 </programlisting>
1732 </para>
1733 </sect3>
1734
1735
1736 </sect2>
1737
1738 <sect2 id="instance-decls">
1739 <title>Instance declarations</title>
1740
1741 <sect3 id="instance-overlap">
1742 <title>Overlapping instances</title>
1743 <para>
1744 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
1745 declaration
1746 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
1747 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
1748 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1749 </primary></indexterm> 
1750 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1751 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
1752 </primary></indexterm>, as this section discusses.</para>
1753 <para>
1754 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
1755 it tries to match every instance declaration against the
1756 constraint,
1757 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
1758 these declarations:
1759 <programlisting>
1760   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
1761   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
1762   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
1763   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
1764 </programlisting>
1765 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
1766 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
1767 no account of the context of the instance declaration
1768 (<literal>context1</literal> etc).
1769 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
1770 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
1771 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
1772 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
1773 particular constraint matches more than one.
1774 </para>
1775
1776 <para>
1777 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
1778 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
1779 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
1780 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
1781 most-specific match, the program is rejected.
1782 </para>
1783 <para>
1784 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1785 <programlisting>
1786   f :: [b] -> [b]
1787   f x = ...
1788 </programlisting>
1789 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
1790 <literal>C Int [b]</literal>.  But
1791 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
1792 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
1793 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
1794 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
1795 GHC will instead pick (C), without complaining about 
1796 the problem of subsequent instantiations.
1797 </para>
1798 <para>
1799 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
1800 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
1801 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
1802 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
1803 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
1804 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
1805 <itemizedlist>
1806 <listitem><para>
1807 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
1808 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
1809 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
1810 more-specific instance does not matter.
1811 </para></listitem>
1812 <listitem><para>
1813 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
1814 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
1815 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
1816 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
1817 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
1818 check for that declaration.
1819 </para></listitem>
1820 </itemizedlist>
1821 All this makes it possible for a library author to design a library that relies on 
1822 overlapping instances without the library client having to know.
1823 </para>
1824 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
1825 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
1826 </para>
1827 </sect3>
1828
1829 <sect3>
1830 <title>Type synonyms in the instance head</title>
1831
1832 <para>
1833 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
1834 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
1835 As always, using a type synonym is just shorthand for
1836 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1837
1838
1839 <programlisting>
1840   type Point = (Int,Int)
1841   instance C Point   where ...
1842   instance C [Point] where ...
1843 </programlisting>
1844
1845
1846 is legal.  However, if you added
1847
1848
1849 <programlisting>
1850   instance C (Int,Int) where ...
1851 </programlisting>
1852
1853
1854 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1855 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1856 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1857
1858
1859 <programlisting>
1860   type P a = [[a]]
1861   instance Monad P where ...
1862 </programlisting>
1863
1864
1865 This design decision is independent of all the others, and easily
1866 reversed, but it makes sense to me.
1867
1868 </para>
1869 </sect3>
1870
1871 <sect3 id="undecidable-instances">
1872 <title>Undecidable instances</title>
1873
1874 <para>An instance declaration must normally obey the following rules:
1875 <orderedlist>
1876 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1877 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1878 For example, these are OK:
1879
1880 <programlisting>
1881   instance C Int a where ...
1882
1883   instance D (Int, Int) where ...
1884
1885   instance E [[a]] where ...
1886 </programlisting>
1887 but this is not:
1888 <programlisting>
1889   instance F a where ...
1890 </programlisting>
1891 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1892 For example, this is OK:
1893 <programlisting>
1894   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1895 </programlisting>
1896 </para>
1897 </listitem>
1898
1899
1900 <listitem>
1901 <para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1902 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables.
1903 Thus
1904 <programlisting>
1905 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1906 </programlisting>
1907 is OK, but
1908 <programlisting>
1909 instance C Int b => Foo b where ...
1910 </programlisting>
1911 is not OK.
1912 </para>
1913 </listitem>
1914 </orderedlist>
1915 These restrictions ensure that 
1916 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1917 constructor.  For example, the following would make the type checker
1918 loop if it wasn't excluded:
1919 <programlisting>
1920   instance C a => C a where ...
1921 </programlisting>
1922 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1923 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1924 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1925 something more specific does not:
1926
1927
1928 <programlisting>
1929   instance C a where
1930     op = ... -- Default
1931 </programlisting>
1932
1933
1934 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1935 effect of a "class synonym":
1936
1937
1938 <programlisting>
1939   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1940
1941   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1942 </programlisting>
1943
1944
1945 This allows you to write shorter signatures:
1946
1947
1948 <programlisting>
1949   f :: C a => ...
1950 </programlisting>
1951
1952
1953 instead of
1954
1955
1956 <programlisting>
1957   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1958 </programlisting>
1959
1960
1961 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1962 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1963 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1964 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1965 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1966 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1967 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1968 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1969 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1970 </para>
1971 <para>
1972 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1973 allowing these idioms interesting idioms.  
1974 </para>
1975 </sect3>
1976
1977
1978 </sect2>
1979
1980 <sect2 id="implicit-parameters">
1981 <title>Implicit parameters</title>
1982
1983 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
1984 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1985 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1986 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1987 Boston, Jan 2000.
1988 </para>
1989
1990 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
1991 due to Jeff Lewis.)</para>
1992
1993 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
1994 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
1995
1996 <para>
1997 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1998 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1999 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2000 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2001 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2002 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2003 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2004 only support static scoping of variables.
2005 </para>
2006 <para>
2007 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2008 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2009 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2010 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2011 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2012 of type <literal>t'</literal>". For
2013 example, the following expresses the type of a sort function,
2014 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2015 <programlisting>
2016   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2017 </programlisting>
2018 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2019 </para>
2020 <para>
2021 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2022 where <literal>x</literal> is
2023 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2024 Use of this construct also introduces a new
2025 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2026 For example, the following definition
2027 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2028 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2029 <programlisting>
2030   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2031
2032   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2033   sort    = sortBy ?cmp
2034 </programlisting>
2035 </para>
2036
2037 <sect3>
2038 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2039 <para>
2040 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2041 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2042 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2043 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2044 to pick out the least value in a list:
2045 <programlisting>
2046   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2047   least xs = fst (sort xs)
2048 </programlisting>
2049 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2050 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2051 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2052 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2053 propagate them.
2054 </para>
2055 <para>
2056 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2057 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2058 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2059 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2060 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2061 class constraints.
2062 </para>
2063
2064 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2065 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2066 <programlisting>
2067   class (?x::Int) => C a where ...
2068   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2069 </programlisting>
2070 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2071 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2072 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2073 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2074 <para>
2075 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2076 <programlisting>
2077    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2078    f n = n + length ?x
2079
2080    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2081    g s = show (read s)
2082 </programlisting>
2083 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2084 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2085 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2086 </para>
2087 </sect3>
2088
2089 <sect3>
2090 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2091
2092 <para>
2093 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2094 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2095 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2096 <literal>cmp</literal>.
2097 <programlisting>
2098   min :: [a] -> a
2099   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2100 </programlisting>
2101 </para>
2102 <para>
2103 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2104 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2105 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2106 or a <literal>where</literal> clause.
2107 Note the following points:
2108 <itemizedlist>
2109 <listitem><para>
2110 An implicit-parameter binding group must be a
2111 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2112 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2113 neither polymorphic or recursive.  
2114 </para></listitem>
2115 <listitem><para>
2116 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2117 single <literal>let</literal>
2118 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2119 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2120 </para></listitem>
2121
2122 <listitem><para>
2123 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2124 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2125 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2126 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2127 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2128 the meaning of the program.
2129 For example, consider:
2130 <programlisting>
2131   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2132 </programlisting>
2133 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2134 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2135 <programlisting>
2136   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2137 </programlisting>
2138 </para></listitem>
2139 </itemizedlist>
2140 </para>
2141
2142 </sect3>
2143
2144 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2145
2146 <para>
2147 Consider these two definitions:
2148 <programlisting>
2149   len1 :: [a] -> Int
2150   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2151
2152   len_acc1 [] = ?acc
2153   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2154
2155   ------------
2156
2157   len2 :: [a] -> Int
2158   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2159
2160   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2161   len_acc2 [] = ?acc
2162   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2163 </programlisting>
2164 The only difference between the two groups is that in the second group
2165 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2166 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2167 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2168 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2169 has a type signature, the recursive call is made to the
2170 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2171 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2172 <programlisting>
2173   Prog> len1 "hello"
2174   0
2175   Prog> len2 "hello"
2176   5
2177 </programlisting>
2178 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2179 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2180 </para>
2181 </sect3>
2182
2183 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2184
2185 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2186 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2187 <programlisting>
2188  f :: Int -> Int
2189   f v = let ?x = 0     in
2190         let y = ?x + v in
2191         let ?x = 5     in
2192         y
2193 </programlisting>
2194 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2195 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2196 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2197 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2198 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2199 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2200 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2201 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2202 <literal>14</literal>.
2203 </para>
2204 </sect3>
2205 </sect2>
2206
2207 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2208 <title>Linear implicit parameters</title>
2209 <para>
2210 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2211 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2212 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2213 </para>
2214 <itemizedlist>
2215 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2216 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2217 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2218 </itemizedlist>
2219
2220 <para>
2221 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2222 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2223 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2224 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2225 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2226 </para>
2227 <para>
2228 For example:
2229 <programlisting>
2230     import GHC.Exts( Splittable )
2231
2232     data NameSupply = ...
2233     
2234     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2235     newName :: NameSupply -> Name
2236
2237     instance Splittable NameSupply where
2238         split = splitNS
2239
2240
2241     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2242     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2243                     where
2244                       x'   = newName %ns
2245                       env' = extend env x x'
2246     ...more equations for f...
2247 </programlisting>
2248 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2249 <itemizedlist>
2250 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2251 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2252 </itemizedlist>
2253 </para>
2254 <para>
2255 So the translation done by the type checker makes
2256 the parameter explicit:
2257 <programlisting>
2258     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2259     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2260                        where
2261                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2262                          x' = newName ns2
2263                          env = extend env x x'
2264 </programlisting>
2265 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2266 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2267 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2268 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2269 <programlisting>
2270         class Splittable a where
2271           split :: a -> (a,a)
2272 </programlisting>
2273 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2274 split for name supplies.  But we can simply write
2275 <programlisting>
2276         g x = (x, %ns, %ns)
2277 </programlisting>
2278 and GHC will infer
2279 <programlisting>
2280         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2281 </programlisting>
2282 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2283 <literal>GHC.Exts</literal>.
2284 </para>
2285 <para>
2286 Other points:
2287 <itemizedlist>
2288 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2289 are entirely distinct implicit parameters: you 
2290   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2291 </listitem>
2292
2293 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2294
2295 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2296   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2297 </itemizedlist>
2298 </para>
2299
2300 <sect3><title>Warnings</title>
2301
2302 <para>
2303 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2304 Consider the example above:
2305 <programlisting>
2306     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2307     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2308                     where
2309                       x'   = newName %ns
2310                       env' = extend env x x'
2311 </programlisting>
2312 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2313 usually a harmless thing to do, we get:
2314 <programlisting>
2315     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2316     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2317                     where
2318                       env' = extend env x (newName %ns)
2319 </programlisting>
2320 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2321 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2322 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2323 the beta rule.
2324 </para>
2325 <para>
2326 Well, this is an experimental change.  With implicit
2327 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2328 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2329 Haskell programs without knowing their typing.
2330 </para>
2331
2332 </sect3>
2333
2334 <sect3><title>Recursive functions</title>
2335 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2336 Consider
2337 <programlisting>
2338         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2339         foo 0 = []
2340         foo n = %x : foo (n-1)
2341 </programlisting>
2342 where T is some type in class Splittable.</para>
2343 <para>
2344 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2345 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2346 </para><para>
2347 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2348 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2349 translated term, where the implicit param is made explicit:
2350 <programlisting>
2351         foo x 0 = []
2352         foo x n = let (x1,x2) = split x
2353                   in x1 : foo x2 (n-1)
2354 </programlisting>
2355 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2356 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2357 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2358 work.  So the translation becomes
2359 <programlisting>
2360         foo x = let
2361                   foom 0 = []
2362                   foom n = x : foom (n-1)
2363                 in
2364                 foom
2365 </programlisting>
2366 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2367 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2368 Yikes!
2369 </para><para>
2370 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2371 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2372 </para>
2373 </sect3>
2374
2375 </sect2>
2376
2377 <sect2 id="functional-dependencies">
2378 <title>Functional dependencies
2379 </title>
2380
2381 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
2382 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
2383 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
2384 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
2385 .
2386 </para>
2387 <para>
2388 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
2389 class declaration;  e.g. 
2390 <programlisting>
2391   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
2392
2393   class Foo a b c | a b -> c where ...
2394 </programlisting>
2395 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
2396 </para>
2397 </sect2>
2398
2399
2400
2401 <sect2 id="sec-kinding">
2402 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2403
2404 <para>
2405 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2406 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2407 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2408 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2409 John Hughes had to define the data type:
2410 <screen>
2411      data Set cxt a = Set [a]
2412                     | Unused (cxt a -> ())
2413 </screen>
2414 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2415 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2416 </para>
2417 <para>
2418 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2419 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2420 <itemizedlist>
2421 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2422 <screen>
2423   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2424 </screen></para></listitem>
2425 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2426 <screen>
2427   type T (f :: * -> *) = f Int
2428 </screen></para></listitem>
2429 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2430 <screen>
2431   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2432 </screen></para></listitem>
2433 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2434 <screen>
2435   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2436 </screen></para></listitem>
2437 </itemizedlist>
2438 </para>
2439
2440 <para>
2441 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2442 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2443 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2444 single lexeme in Haskell.
2445 </para>
2446
2447 <para>
2448 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2449 as well.  Thus:
2450 <screen>
2451    f :: (Int :: *) -> Int
2452    g :: forall a. a -> (a :: *)
2453 </screen>
2454 The syntax is
2455 <screen>
2456    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2457 </screen>
2458 The parentheses are required.
2459 </para>
2460 </sect2>
2461
2462
2463 <sect2 id="universal-quantification">
2464 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2465 </title>
2466
2467 <para>
2468 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2469 allows us to say exactly what this means.  For example:
2470 </para>
2471 <para>
2472 <programlisting>
2473         g :: b -> b
2474 </programlisting>
2475 means this:
2476 <programlisting>
2477         g :: forall b. (b -> b)
2478 </programlisting>
2479 The two are treated identically.
2480 </para>
2481
2482 <para>
2483 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2484 explicit universal quantification in
2485 types. 
2486 For example, all the following types are legal:
2487 <programlisting>
2488     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2489     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2490
2491     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2492     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2493
2494     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2495 </programlisting>
2496 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2497 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2498 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2499 is implicitly added by Haskell.
2500 </para>
2501 <para>
2502 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2503 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2504 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2505 </para>
2506 <para>
2507 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2508 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2509 </para>
2510 <para>
2511 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2512 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2513 that restriction has now been lifted.)
2514 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2515 including an operational type class context, is legal:
2516 <itemizedlist>
2517 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2518 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2519 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2520 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2521 field type signatures.</para> </listitem>
2522 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2523 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2524 </itemizedlist>
2525 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2526 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2527 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2528 <programlisting>
2529     x1 :: [forall a. a->a]
2530     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2531     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2532 </programlisting>
2533 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2534 a type variable any more!
2535 </para>
2536
2537
2538 <sect3 id="univ">
2539 <title>Examples
2540 </title>
2541
2542 <para>
2543 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2544 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2545 </para>
2546
2547 <para>
2548
2549 <programlisting>
2550 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2551
2552 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2553                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2554                         }
2555
2556 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2557 </programlisting>
2558
2559 </para>
2560
2561 <para>
2562 The constructors have rank-2 types:
2563 </para>
2564
2565 <para>
2566
2567 <programlisting>
2568 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2569 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2570                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2571                   -> MonadT m
2572 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2573 </programlisting>
2574
2575 </para>
2576
2577 <para>
2578 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2579 explicit context.  For example in the first argument of the
2580 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2581 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2582 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2583 mentioned in the type quantified over.
2584 </para>
2585
2586 <para>
2587 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2588 types too.  So if you write this:
2589
2590 <programlisting>
2591   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2592 </programlisting>
2593
2594 it's just as if you had written this:
2595
2596 <programlisting>
2597   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2598 </programlisting>
2599
2600 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2601 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2602 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2603 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2604 </para>
2605
2606 <para>
2607 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2608 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2609 </para>
2610
2611 <para>
2612
2613 <programlisting>
2614     a1 :: T Int
2615     a1 = T1 (\xy->x) 3
2616     
2617     a2, a3 :: Swizzle
2618     a2 = MkSwizzle sort
2619     a3 = MkSwizzle reverse
2620     
2621     a4 :: MonadT Maybe
2622     a4 = let r x = Just x
2623              b m k = case m of
2624                        Just y -> k y
2625                        Nothing -> Nothing
2626          in
2627          MkMonad r b
2628
2629     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2630     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2631 </programlisting>
2632
2633 </para>
2634
2635 <para>
2636 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2637 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2638 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2639 </para>
2640
2641 <para>
2642 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2643 polymorphic types.  For example:
2644 </para>
2645
2646 <para>
2647
2648 <programlisting>
2649     f :: T a -> a -> (a, Char)
2650     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2651
2652     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2653     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2654
2655     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2656     h m [] = return m []
2657     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2658                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2659                  return m (y:ys)
2660 </programlisting>
2661
2662 </para>
2663
2664 <para>
2665 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2666 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2667 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2668 matching.
2669 </para>
2670 </sect3>
2671
2672 <sect3>
2673 <title>Type inference</title>
2674
2675 <para>
2676 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
2677 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2678 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2679 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2680 </para>
2681 <para>
2682 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2683 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2684 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2685 </para>
2686 <para>
2687 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2688 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2689 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
2690 <programlisting>
2691      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2692 </programlisting>
2693 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2694 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2695 <programlisting>
2696      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2697 </programlisting>
2698 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2699 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2700 one can give a type signature for the function itself:
2701 <programlisting>
2702      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2703      h f = (f True, f 'c')
2704 </programlisting>
2705 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2706 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2707 <programlisting>
2708     f :: T a -> a -> (a, Char)
2709     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2710 </programlisting>
2711 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2712 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2713 it needs to know.
2714 </para>
2715
2716 </sect3>
2717
2718
2719 <sect3 id="implicit-quant">
2720 <title>Implicit quantification</title>
2721
2722 <para>
2723 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2724 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2725 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2726 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2727 equivalent:
2728 <programlisting>
2729   f :: a -> a
2730   f :: forall a. a -> a
2731
2732   g (x::a) = let
2733                 h :: a -> b -> b
2734                 h x y = y
2735              in ...
2736   g (x::a) = let
2737                 h :: forall b. a -> b -> b
2738                 h x y = y
2739              in ...
2740 </programlisting>
2741 </para>
2742 <para>
2743 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2744 point.  For example:
2745 <programlisting>
2746   f :: (a -> a) -> Int
2747            -- MEANS
2748   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2749            -- NOT
2750   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2751
2752
2753   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2754            -- MEANS the illegal type
2755   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2756            -- NOT
2757   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2758 </programlisting>
2759 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2760 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2761 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2762 for rank-2 types.
2763 </para>
2764 </sect3>
2765 </sect2>
2766
2767
2768
2769
2770 <sect2 id="scoped-type-variables">
2771 <title>Scoped type variables
2772 </title>
2773
2774 <para>
2775 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
2776 <itemizedlist>
2777 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
2778 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
2779 <listitem><para>A result type signature (<xref linkend="result-type-sigs"/>)</para></listitem>
2780 </itemizedlist>
2781 For example:
2782 <programlisting>
2783 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2784            where
2785               ys :: [a]
2786               ys = reverse xs
2787 </programlisting>
2788 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
2789 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2790 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2791 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
2792 </para>
2793
2794 <para>
2795 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
2796 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2797 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2798 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2799 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
2800 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
2801 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2802 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
2803 it becomes possible to do so.
2804 </para>
2805
2806 <para>
2807 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2808 implementations differ from the specification below, those differences
2809 are noted.
2810 </para>
2811
2812 <para>
2813 So much for the basic idea.  Here are the details.
2814 </para>
2815
2816 <sect3>
2817 <title>What a scoped type variable means</title>
2818 <para>
2819 A lexically-scoped type variable is simply
2820 the name for a type.   The restriction it expresses is that all occurrences
2821 of the same name mean the same type.  For example:
2822 <programlisting>
2823   f :: [Int] -> Int -> Int
2824   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2825 </programlisting>
2826 The pattern type signatures on the left hand side of
2827 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2828 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2829 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2830 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2831 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2832 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2833 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2834 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2835 For example, all of these are legal:</para>
2836
2837 <programlisting>
2838   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2839
2840   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2841
2842   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2843
2844   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2845         in k x                  -- environment
2846
2847   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2848   k (x::Int) False = ...
2849
2850   w :: [b] -> [b]
2851   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2852 </programlisting>
2853
2854 </sect3>
2855
2856 <sect3>
2857 <title>Scope and implicit quantification</title>
2858
2859 <para>
2860
2861 <itemizedlist>
2862 <listitem>
2863
2864 <para>
2865 All the type variables mentioned in a pattern,
2866 that are not already in scope,
2867 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2868 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2869 For example:
2870 <programlisting>
2871   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2872              in
2873              g (x,True)
2874 </programlisting>
2875 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2876 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2877 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2878 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2879 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2880 </para>
2881 </listitem>
2882
2883 <listitem>
2884 <para>
2885 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2886 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2887 <programlisting>
2888   let
2889     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
2890     (p::b, q::b) = (1,2)
2891   in &lt;...body of let...>
2892 </programlisting>
2893 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2894 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2895 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2896 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2897 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2898 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2899 </para>
2900 </listitem>
2901
2902
2903 <listitem>
2904 <para>
2905 The type variables bound by the pattern may be 
2906 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2907 type signatures anywhere within their scope.
2908
2909 </para>
2910 </listitem>
2911
2912 <listitem>
2913 <para>
2914  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2915 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2916
2917 </para>
2918 </listitem>
2919
2920 <listitem>
2921
2922 <para>
2923  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2924 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2925
2926 <programlisting>
2927   f :: a -> a
2928   f x = x::a
2929 </programlisting>
2930
2931 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2932 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2933 and that is an incorrect typing.
2934
2935 </para>
2936 </listitem>
2937
2938 <listitem>
2939 <para>
2940 The pattern type signature is a monotype:
2941 </para>
2942
2943 <itemizedlist>
2944 <listitem> <para> 
2945 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2946 </para> </listitem>
2947
2948 <listitem>  <para> 
2949 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2950 not to type schemes.
2951 </para> </listitem>
2952
2953 <listitem>  <para> 
2954 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2955 ordinary type signatures).
2956 </para> </listitem>
2957
2958 </itemizedlist>
2959
2960 </listitem>
2961
2962 <listitem>
2963 <para>
2964
2965 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2966 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2967
2968
2969 <programlisting>
2970   class C a where
2971     op :: [a] -> a
2972
2973     op xs = let ys::[a]
2974                 ys = reverse xs
2975             in
2976             head ys
2977 </programlisting>
2978
2979
2980 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2981 </para>
2982 </listitem>
2983
2984 </itemizedlist>
2985
2986 </para>
2987
2988 </sect3>
2989
2990 <sect3 id="decl-type-sigs">
2991 <title>Declaration type signatures</title>
2992 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
2993 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
2994 explicitly-quantified
2995 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
2996 <programlisting>
2997   f :: forall a. [a] -> [a]
2998   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
2999 </programlisting>
3000 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3001 the definition of "<literal>f</literal>".
3002 </para>
3003 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3004 signature is explicit.  For example:
3005 <programlisting>
3006   g :: [a] -> [a]
3007   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3008 </programlisting>
3009 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3010 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3011 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3012 quantification rules.
3013 </para>
3014 </sect3>
3015
3016 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3017 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
3018
3019 <para>
3020 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
3021 <itemizedlist>
3022
3023 <listitem>
3024 <para>
3025 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
3026 just on a variable:
3027
3028
3029 <programlisting>
3030   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
3031 </programlisting>
3032
3033
3034 </para>
3035 </listitem>
3036 <listitem>
3037
3038 <para>
3039  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3040 in lambda abstractions:
3041
3042 <programlisting>
3043   (\ (x::a, y) :: a -> x)
3044 </programlisting>
3045 </para>
3046 </listitem>
3047 <listitem>
3048
3049 <para>
3050  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3051 in <literal>case</literal> expressions:
3052
3053 <programlisting>
3054   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
3055 </programlisting>
3056
3057 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
3058 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
3059 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
3060 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
3061 arrow and give a parse error later.
3062
3063 </para>
3064
3065 </listitem>
3066
3067 <listitem>
3068 <para>
3069 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3070 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3071 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3072 consider how one would parse this:
3073
3074
3075 <programlisting>
3076   \ x :: a -> b -> x
3077 </programlisting>
3078
3079
3080 </para>
3081 </listitem>
3082
3083 <listitem>
3084
3085 <para>
3086  Pattern type signatures can bind existential type variables.
3087 For example:
3088
3089
3090 <programlisting>
3091   data T = forall a. MkT [a]
3092
3093   f :: T -> T
3094   f (MkT [t::a]) = MkT t3
3095                  where
3096                    t3::[a] = [t,t,t]
3097 </programlisting>
3098
3099
3100 </para>
3101 </listitem>
3102
3103
3104 <listitem>
3105
3106 <para>
3107 Pattern type signatures 
3108 can be used in pattern bindings:
3109
3110 <programlisting>
3111   f x = let (y, z::a) = x in ...
3112   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
3113   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
3114   f3 :: (b->b)        = \x -> x
3115 </programlisting>
3116
3117 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
3118 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
3119 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3120 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3121 In contrast, the binding
3122 <programlisting>
3123   f4 :: b->b
3124   f4 = \x -> x
3125 </programlisting>
3126 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3127 in <literal>f4</literal>'s scope.
3128
3129 </para>
3130 </listitem>
3131 </itemizedlist>
3132 </para>
3133 <para>Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
3134 type signatures.  The two can be used independently or together.</para>
3135
3136 </sect3>
3137
3138 <sect3 id="result-type-sigs">
3139 <title>Result type signatures</title>
3140
3141 <para>
3142 The result type of a function can be given a signature, thus:
3143
3144
3145 <programlisting>
3146   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3147 </programlisting>
3148
3149
3150 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3151 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3152 you want:
3153
3154
3155 <programlisting>
3156   f :: Int -> [a] -> [a]
3157   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3158                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3159 </programlisting>
3160
3161 </para>
3162 <para>
3163 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3164 of the definition. However, consider this corner-case:
3165 <programlisting>
3166   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3167
3168   foo ys = rev (ys::[a])
3169 </programlisting>
3170 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3171 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3172 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3173 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3174 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3175 </para>
3176 <para>
3177 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3178 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3179 is polymorphic:
3180 <programlisting>
3181   rev1 :: [b] -> [b]
3182   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3183 </programlisting>
3184 </para>
3185
3186 <para>
3187 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3188 </para>
3189
3190 </sect3>
3191
3192 </sect2>
3193
3194 <sect2 id="deriving-typeable">
3195 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3196
3197 <para>
3198 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3199 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3200 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3201 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3202 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3203 </para>
3204 <para>
3205 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3206 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3207 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3208 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3209 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3210 </para>
3211 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3212 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3213 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3214 described in
3215 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3216 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3217 </ulink>.
3218 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3219 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3220 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3221 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3222 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3223 then writing the data type instance by hand.
3224 </para>
3225 </sect2>
3226
3227 <sect2 id="newtype-deriving">
3228 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3229
3230 <para>
3231 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3232 the new type to inherit some instances from its representation. In
3233 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3234 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3235 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3236 example, if you define
3237
3238 <programlisting> 
3239   newtype Dollars = Dollars Int 
3240 </programlisting> 
3241
3242 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3243 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3244
3245 <programlisting> 
3246   instance Num Dollars where
3247     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3248     ...
3249 </programlisting>
3250 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3251 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3252 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3253 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3254 dictionary, only slower!
3255 </para>
3256
3257
3258 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3259 <para>
3260 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3261 <programlisting> 
3262   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3263 </programlisting> 
3264
3265 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3266 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3267 derives an instance declaration of the form
3268
3269 <programlisting> 
3270   instance Num Int => Num Dollars
3271 </programlisting> 
3272
3273 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3274 </para>
3275 <para>
3276
3277 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3278 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3279 transformers, such that
3280
3281 <programlisting> 
3282   instance Monad m => Monad (State s m) 
3283   instance Monad m => Monad (Failure m)
3284 </programlisting> 
3285 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3286 <programlisting> 
3287   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3288 </programlisting> 
3289
3290 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3291 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3292 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3293
3294 <programlisting> 
3295   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3296                          deriving Monad
3297 </programlisting>
3298 In this case the derived instance declaration is of the form 
3299 <programlisting> 
3300   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3301 </programlisting> 
3302
3303 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3304 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3305 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3306 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3307 declaration.
3308 </para>
3309 <para>
3310
3311 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3312 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3313 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3314 clause. For example, given the class
3315
3316 <programlisting> 
3317   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3318   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3319 </programlisting> 
3320 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3321 <programlisting> 
3322   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3323                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3324 </programlisting>
3325
3326 The derived instance is obtained by completing the application of the
3327 class to the new type:
3328
3329 <programlisting> 
3330   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3331            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3332 </programlisting>
3333 </para>
3334 <para>
3335
3336 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3337  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3338 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3339 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3340 the newtype and its representation.
3341 </para>
3342 </sect3>
3343
3344 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3345 <para>
3346 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3347 declaration (after expansion of any type synonyms)
3348
3349 <programlisting> 
3350   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3351 </programlisting> 
3352
3353 where 
3354  <itemizedlist>
3355 <listitem><para>
3356   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3357 </para></listitem>
3358 <listitem><para>
3359   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3360 </para></listitem>
3361 <listitem><para>
3362   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3363   the <literal>ti</literal>, and
3364 </para></listitem>
3365 <listitem><para>
3366   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3367   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3368   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3369 </para></listitem>
3370 <listitem><para>
3371   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3372                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3373                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3374                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3375                 via this new mechanism.  
3376 </para></listitem>
3377 </itemizedlist>
3378 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3379 declaration is:
3380 <programlisting> 
3381   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3382 </programlisting>
3383 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3384 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3385 </para>
3386 <para>
3387
3388 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3389 <programlisting> 
3390   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3391 </programlisting> 
3392 Here we cannot derive the instance 
3393 <programlisting> 
3394   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3395 </programlisting> 
3396
3397 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3398 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3399 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3400 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3401 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3402 </para>
3403 <para>
3404
3405 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3406 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3407 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3408
3409 <programlisting> 
3410   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3411 </programlisting>
3412
3413 then we would not have been able to derive an instance for the
3414 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3415 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3416 instances is most interesting.
3417 </para>
3418 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3419 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3420 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3421 4.3.3. of the Haskell Report).
3422 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3423 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3424 the standard method is used or the one described here.)
3425 </para>
3426 </sect3>
3427
3428 </sect2>
3429
3430 <sect2 id="typing-binds">
3431 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3432
3433 <para>
3434 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3435 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3436 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3437 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3438 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3439 As each group is type-checked, any binders of the group that
3440 have
3441 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3442 polymorphic type,
3443 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3444 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3445 </para>
3446
3447 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3448 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3449 Haskell</ulink>,
3450 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3451 specified:
3452 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3453 type signature</emphasis>.
3454 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3455 typecheck.  For example, consider:
3456 <programlisting>
3457   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3458   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3459   
3460   g y = (y &lt;= y) || f True
3461 </programlisting>
3462 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3463 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3464 <literal>f</literal>,
3465 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3466 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3467 type is generalised, to get
3468 <programlisting>
3469   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3470 </programlisting>
3471 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3472 <literal>g</literal> in the type environment.
3473 </para>
3474
3475 <para>
3476 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3477 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3478 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3479 <option>-fglasgow-exts</option>
3480 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3481 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3482 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3483 <programlisting>
3484   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3485   f x = (x == x) || g True
3486   
3487   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3488   g y = (y &lt;= y) || f True
3489 </programlisting>
3490 </para>
3491 </sect2>
3492
3493 </sect1>
3494 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3495   
3496 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3497
3498 <sect1 id="gadt">
3499 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3500
3501 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3502 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3503 <programlisting>
3504   data Term a where
3505       Lit    :: Int -> Term Int
3506       Succ   :: Term Int -> Term Int
3507       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3508       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3509       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3510 </programlisting>
3511 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3512 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3513 for these <literal>Terms</literal>:
3514 <programlisting>
3515   eval :: Term a -> a
3516   eval (Lit i)      = i
3517   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3518   eval (IsZero i)   = eval i == 0
3519   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3520   eval (Pair e1 e2) = (eval e2, eval e2)
3521 </programlisting>
3522 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3523 </para>
3524 <para> The extensions to GHC are these:
3525 <itemizedlist>
3526 <listitem><para>
3527   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3528 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3529 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3530 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3531 <programlisting>
3532   data Term :: * -> * where ...
3533 </programlisting>
3534 or even a mixture of the two:
3535 <programlisting>
3536   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3537 </programlisting>
3538 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3539 like this:
3540 <programlisting>
3541   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3542 </programlisting>
3543 </para></listitem>
3544
3545 <listitem><para>
3546 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3547 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3548 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3549 </para></listitem>
3550
3551 <listitem><para>
3552 You cannot use record syntax on a GADT-style data type declaration.  (
3553 It's not clear what these it would mean.  For example,
3554 the record selectors might ill-typed.)
3555 However, you can use strictness annotations, in the obvious places
3556 in the constructor type:
3557 <programlisting>
3558   data Term a where
3559       Lit    :: !Int -> Term Int
3560       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3561       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3562 </programlisting>
3563 </para></listitem>
3564
3565 <listitem><para>
3566 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
3567 declaration, but only if the data type could also have been declared in
3568 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
3569 <programlisting>
3570   data Maybe1 a where {
3571       Nothing1 :: Maybe a ;
3572       Just1    :: a -> Maybe a
3573     } deriving( Eq, Ord )
3574
3575   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
3576        deriving( Eq, Ord )
3577 </programlisting>
3578 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
3579 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
3580 </para></listitem>
3581
3582 <listitem><para>
3583 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3584 <programlisting>
3585   eval :: Term a -> a
3586   eval (Lit i) =  ...
3587 </programlisting>
3588 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3589 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3590 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3591
3592 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3593 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3594 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3595 <programlisting>
3596   eval :: Term a -> a -> a
3597   eval (Lit i) j =  i+j
3598 </programlisting>
3599 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3600 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3601 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3602 </para>
3603 </listitem>
3604 </itemizedlist>
3605 </para>
3606
3607 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3608 <programlisting>
3609   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3610   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
3611 </programlisting>
3612 </para>
3613 </sect1>
3614
3615 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3616
3617 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3618
3619 <sect1 id="template-haskell">
3620 <title>Template Haskell</title>
3621
3622 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3623 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3624 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3625 the background to
3626 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3627 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3628 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3629 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3630 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3631 (search for the type ExpQ).
3632 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3633       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3634 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3635 </para>
3636
3637 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3638 </para>
3639
3640 <para>
3641 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3642 Tim Sheard is going to expand it.)
3643 </para>
3644
3645     <sect2>
3646       <title>Syntax</title>
3647
3648       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3649       constructions.  You need to use the flag
3650       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3651       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3652       (<option>-fth</option> is currently implied by
3653       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3654       specify it explicitly).</para>
3655
3656         <itemizedlist>
3657               <listitem><para>
3658                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3659                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3660                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3661                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3662                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3663                   </para>
3664               <para> A splice can occur in place of 
3665                   <itemizedlist>
3666                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
3667                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
3668                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3669                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
3670                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
3671                     </itemizedlist>
3672            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3673         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3674         as in the paper.)
3675                 </para></listitem>
3676
3677
3678               <listitem><para>
3679                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3680                   <itemizedlist>
3681                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3682                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3683                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3684                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3685                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3686                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3687                   </itemizedlist></para></listitem>
3688
3689               <listitem><para>
3690                   Reification is written thus:
3691                   <itemizedlist>
3692                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3693                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3694                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3695                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3696                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3697                     
3698                   </itemizedlist></para>
3699                 </listitem>
3700
3701                   
3702         </itemizedlist>
3703 </sect2>
3704
3705 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3706 <para>
3707 <itemizedlist>
3708     <listitem><para>
3709     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3710     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3711     </para></listitem>
3712
3713     <listitem><para>
3714     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3715             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3716             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3717    </para></listitem>
3718
3719     <listitem><para>
3720             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3721    </para></listitem>
3722     <listitem><para>
3723             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3724               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3725               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3726               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3727               those of the compiler itself.
3728    </para></listitem>
3729 </itemizedlist>
3730 </para>
3731 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3732         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3733         has been lifted.
3734 </para>
3735 </sect2>
3736  
3737 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3738 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3739   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3740
3741 <programlisting>
3742
3743 {- Main.hs -}
3744 module Main where
3745
3746 -- Import our template "pr"
3747 import Printf ( pr )
3748
3749 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3750 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3751 -- the argument of "putStrLn".
3752 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3753
3754
3755 {- Printf.hs -}
3756 module Printf where
3757
3758 -- Skeletal printf from the paper.
3759 -- It needs to be in a separate module to the one where
3760 -- you intend to use it.
3761
3762 -- Import some Template Haskell syntax
3763 import Language.Haskell.TH
3764
3765 -- Describe a format string
3766 data Format = D | S | L String
3767
3768 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3769 -- as we are here interested in building our first ever
3770 -- Template Haskell program and not in building printf.
3771 parse :: String -> [Format]
3772 parse s   = [ L s ]
3773
3774 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3775 -- of the format string.  This code will be spliced into
3776 -- the module which calls "pr", at compile time.
3777 gen :: [Format] -> ExpQ
3778 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3779 gen [S]   = [| \s -> s |]
3780 gen [L s] = stringE s
3781
3782 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3783 -- from an input format string.
3784 pr :: String -> ExpQ
3785 pr s      = gen (parse s)
3786 </programlisting>
3787
3788 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3789 </para>
3790 <programlisting>
3791 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3792 </programlisting>
3793
3794 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3795
3796 <programlisting>
3797 $ ./main
3798 Hello
3799 </programlisting>
3800
3801 </sect2>
3802  
3803 </sect1>
3804
3805 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3806
3807 <sect1 id="arrow-notation">
3808 <title>Arrow notation
3809 </title>
3810
3811 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3812 For more details, see
3813 <itemizedlist>
3814
3815 <listitem>
3816 <para>
3817 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3818 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3819 pp67&ndash;111, May 2000.
3820 </para>
3821 </listitem>
3822
3823 <listitem>
3824 <para>
3825 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3826 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3827 </para>
3828 </listitem>
3829
3830 <listitem>
3831 <para>
3832 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3833 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3834 Palgrave, 2003.
3835 </para>
3836 </listitem>
3837
3838 </itemizedlist>
3839 and the arrows web page at
3840 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3841 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3842 notation described in the second of these papers.
3843 What follows is a brief introduction to the notation;
3844 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3845 This notation is translated to ordinary Haskell,
3846 using combinators from the
3847 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3848 module.
3849 </para>
3850
3851 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
3852 <screen>
3853 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
3854        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3855 </screen>
3856 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3857 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3858 <literal>proc</literal>-expression,
3859 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3860 The syntax of commands is as follows:
3861 <screen>
3862 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
3863        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
3864        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
3865 </screen>
3866 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
3867 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
3868 infix operators as for expressions, and
3869 <screen>
3870 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3871        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
3872        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
3873        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
3874        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
3875        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
3876
3877 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
3878        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
3879        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
3880
3881 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
3882        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
3883        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
3884        |  <replaceable>cmd</replaceable>
3885 </screen>
3886 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
3887 except that the bodies are commands instead of expressions.
3888 </para>
3889
3890 <para>
3891 Commands produce values, but (like monadic computations)
3892 may yield more than one value,
3893 or none, and may do other things as well.
3894 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
3895 using commands.
3896 However the values of expressions, even monadic ones,
3897 are determined by the values of the variables they contain;
3898 this is not necessarily the case for commands.
3899 </para>
3900
3901 <para>
3902 A simple example of the new notation is the expression
3903 <screen>
3904 proc x -> f -&lt; x+1
3905 </screen>
3906 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
3907 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
3908 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
3909 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
3910 It refers to the input to the arrow.
3911 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
3912 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
3913 type and an expression to be fed as input to that arrow.
3914 (The weird look will make more sense later.)
3915 It may be read as analogue of application for arrows.
3916 The above example is equivalent to the Haskell expression
3917 <screen>
3918 arr (\ x -> x+1) >>> f
3919 </screen>
3920 That would make no sense if the expression to the left of
3921 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
3922 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
3923 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
3924 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
3925 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
3926 <screen>
3927 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
3928 </screen>
3929 which is equivalent to
3930 <screen>
3931 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
3932 </screen>
3933 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
3934 class.
3935 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
3936 you may find a monadic formulation more convenient.
3937 </para>
3938
3939 <sect2>
3940 <title>do-notation for commands</title>
3941
3942 <para>
3943 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
3944 For example, you can write
3945 <screen>
3946 proc x -> do
3947         y &lt;- f -&lt; x+1
3948         g -&lt; 2*y
3949         let z = x+y
3950         t &lt;- h -&lt; x*z
3951         returnA -&lt; t+z
3952 </screen>
3953 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
3954 but with commands in place of monadic expressions.
3955 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
3956 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
3957 <literal>y</literal>.
3958 In the next line, the output is discarded.
3959 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
3960 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3961 module as <literal>arr id</literal>.
3962 The above example is treated as an abbreviation for
3963 <screen>
3964 arr (\ x -> (x, x)) >>>
3965         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
3966         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
3967         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
3968         arr snd >>>
3969         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
3970         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
3971         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
3972         returnA
3973 </screen>
3974 Note that variables not used later in the composition are projected out.
3975 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
3976 defined in the
3977 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3978 module, this reduces to
3979 <screen>
3980 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
3981         first f >>>
3982         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
3983         first g >>>
3984         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
3985         first h >>>
3986         arr (\ (t, z) -> t+z)
3987 </screen>
3988 which is what you might have written by hand.
3989 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
3990 </para>
3991
3992 <para>
3993 Note that although the above translation suggests that
3994 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
3995 monomorphic, the actual translation produces Core,
3996 so polymorphic variables are allowed.
3997 </para>
3998
3999 <para>
4000 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4001 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4002 <programlisting>
4003 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4004 counter = proc reset -> do
4005         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4006                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4007         returnA -&lt; output
4008 </programlisting>
4009 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4010 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4011 </para>
4012
4013 </sect2>
4014
4015 <sect2>
4016 <title>Conditional commands</title>
4017
4018 <para>
4019 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4020 input for an arrow.
4021 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4022 <screen>
4023 proc (x,y) ->
4024         if f x y
4025         then g -&lt; x+1
4026         else h -&lt; y+2
4027 </screen>
4028 which is translated to
4029 <screen>
4030 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4031         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4032 </screen>
4033 Since the translation uses <function>|||</function>,
4034 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4035 </para>
4036
4037 <para>
4038 There are also <literal>case</literal> commands, like
4039 <screen>
4040 case input of
4041     [] -> f -&lt; ()
4042     [x] -> g -&lt; x+1
4043     x1:x2:xs -> do
4044         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4045         ys &lt;- k -&lt; xs
4046         returnA -&lt; y:ys
4047 </screen>
4048 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4049 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4050 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4051 </para>
4052
4053 </sect2>
4054
4055 <sect2>
4056 <title>Defining your own control structures</title>
4057
4058 <para>
4059 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4060 modelled on those for expressions,
4061 for sequencing, value recursion and conditionals.
4062 But suitable combinators,
4063 which you can define in ordinary Haskell,
4064 may also be used to build new commands out of existing ones.
4065 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4066 These environments assign values to the free local variables of the command.
4067 Thus combinators that produce arrows from arrows
4068 may also be used to build commands from commands.
4069 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4070 <programlisting>
4071 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4072 </programlisting>
4073 so we can use it to build commands:
4074 <programlisting>
4075 expr' = proc x -> do
4076                 returnA -&lt; x
4077         &lt;+> do
4078                 symbol Plus -&lt; ()
4079                 y &lt;- term -&lt; ()
4080                 expr' -&lt; x + y
4081         &lt;+> do
4082                 symbol Minus -&lt; ()
4083                 y &lt;- term -&lt; ()
4084                 expr' -&lt; x - y
4085 </programlisting>
4086 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4087 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4088 expression on the previous line.)
4089 This is equivalent to
4090 <programlisting>
4091 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4092         &lt;+> (proc x -> do
4093                 symbol Plus -&lt; ()
4094                 y &lt;- term -&lt; ()
4095                 expr' -&lt; x + y)
4096         &lt;+> (proc x -> do
4097                 symbol Minus -&lt; ()
4098                 y &lt;- term -&lt; ()
4099                 expr' -&lt; x - y)
4100 </programlisting>
4101 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4102 (representing the environment input to the command
4103 and thence to its subcommands)
4104 and satisfy the corresponding naturality property
4105 <screen>
4106 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4107 </screen>
4108 at least for strict <literal>k</literal>.
4109 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4110 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4111 of the whole command,
4112 and also allows the translation to safely trim these environments.
4113 The operator must also not use any variable defined within the current
4114 arrow abstraction.
4115 </para>
4116
4117 <para>
4118 We could define our own operator
4119 <programlisting>
4120 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4121 untilA body cond = proc x ->
4122         if cond x then returnA -&lt; ()
4123         else do
4124                 body -&lt; x
4125                 untilA body cond -&lt; x
4126 </programlisting>
4127 and use it in the same way.
4128 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4129 there is also a more general syntax involving special brackets:
4130 <screen>
4131 proc x -> do
4132         y &lt;- f -&lt; x+1
4133         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4134 </screen>
4135 </para>
4136
4137 </sect2>
4138
4139 <sect2>
4140 <title>Primitive constructs</title>
4141
4142 <para>
4143 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4144 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4145 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4146 exception that occurred to the handler.
4147 Such an operator might have a type
4148 <screen>
4149 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4150 </screen>
4151 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4152 You could then use this with arrow notation by writing a command
4153 <screen>
4154 body `handleA` \ ex -> handler
4155 </screen>
4156 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4157 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4158 and the command <literal>handler</literal>,
4159 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4160 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4161 we are talking about commands, and something different is going on.
4162 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4163 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4164 In all the prior examples, this stack was empty.
4165 In the second argument to <function>handleA</function>,
4166 this stack consists of one value, the value of the exception.
4167 The command form of lambda merely gives this value a name.
4168 </para>
4169
4170 <para>
4171 More concretely,
4172 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4173 So operators like <function>handleA</function> that pass
4174 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4175 by pairing the values with the environment in this way.
4176 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4177 should have the form
4178 <screen>
4179 a (...(e,t1), ... tn) t
4180 </screen>
4181 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4182 (representing the environment)
4183 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4184 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4185 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4186 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4187 <replaceable>t</replaceable>.
4188 However the arrows involved need not be the same.
4189 Here are some more examples of suitable operators:
4190 <screen>
4191 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4192 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4193 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4194 </screen>
4195 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4196 by applying them to ordinary expressions, as in
4197 <screen>
4198 proc x -> do
4199         s &lt;- ...
4200         (|runReader (do { ... })|) s
4201 </screen>
4202 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4203 built using <function>runReader</function>.
4204 </para>
4205
4206 <para>
4207 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4208 the expression versions.
4209 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4210 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4211 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4212 though the results would be somewhat clumsy.
4213 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4214 <programlisting>
4215 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4216 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4217
4218 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4219 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4220 </programlisting>
4221 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4222 <programlisting>
4223 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4224 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4225 </programlisting>
4226 </para>
4227
4228 </sect2>
4229
4230 <sect2>
4231 <title>Differences with the paper</title>
4232
4233 <itemizedlist>
4234
4235 <listitem>
4236 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4237 translations, the implementation provides two forms
4238 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4239 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4240 </para>
4241 </listitem>
4242
4243 <listitem>
4244 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4245 a new <literal>form</literal> keyword.
4246 </para>
4247 </listitem>
4248
4249 </itemizedlist>
4250
4251 </sect2>
4252
4253 <sect2>
4254 <title>Portability</title>
4255
4256 <para>
4257 Although only GHC implements arrow notation directly,
4258 there is also a preprocessor
4259 (available from the 
4260 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4261 that translates arrow notation into Haskell 98
4262 for use with other Haskell systems.
4263 You would still want to check arrow programs with GHC;
4264 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4265 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4266 additional restrictions:
4267 <itemizedlist>
4268
4269 <listitem>
4270 <para>
4271 The module must import
4272 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4273 </para>
4274 </listitem>
4275
4276 <listitem>
4277 <para>
4278 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4279 These would have to go in separate modules.
4280 </para>
4281 </listitem>
4282
4283 <listitem>
4284 <para>
4285 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4286 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4287 </para>
4288 </listitem>
4289
4290 </itemizedlist>
4291 </para>
4292
4293 </sect2>
4294
4295 </sect1>
4296
4297 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4298
4299 <sect1 id="sec-assertions">
4300 <title>Assertions
4301 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4302 </title>
4303
4304 <para>
4305 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4306 could define a function like the following:
4307 </para>
4308
4309 <para>
4310
4311 <programlisting>
4312 assert :: Bool -> a -> a
4313 assert False x = error "assertion failed!"
4314 assert _     x = x
4315 </programlisting>
4316
4317 </para>
4318
4319 <para>
4320 which works, but gives you back a less than useful error message --
4321 an assertion failed, but which and where?
4322 </para>
4323
4324 <para>
4325 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4326 takes a descriptive string to include in the error message and
4327 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4328 the source location where <function>assert</function> was used.
4329 </para>
4330
4331 <para>
4332 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4333 use of <function>assert</function> in the user's source:
4334 </para>
4335
4336 <para>
4337
4338 <programlisting>
4339 kelvinToC :: Double -> Double
4340 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4341 </programlisting>
4342
4343 </para>
4344
4345 <para>
4346 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4347 assertion was made,
4348 </para>
4349
4350 <para>
4351
4352 <programlisting>
4353 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4354 </programlisting>
4355
4356 </para>
4357
4358 <para>
4359 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4360 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4361 can still define and use your own versions of
4362 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4363 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4364 <function>assert</function> in your code.
4365 </para>
4366
4367 <para>
4368 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
4369 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
4370 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
4371 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4372 <literal>e</literal>.
4373 </para>
4374
4375 <para>
4376 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4377 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4378 </para>
4379
4380 </sect1>
4381
4382
4383 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4384
4385   <sect1 id="pragmas">
4386     <title>Pragmas</title>
4387
4388     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4389
4390     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4391     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4392     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4393     of the generated code.</para>
4394
4395     <para>Pragmas all take the form
4396
4397 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4398
4399     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4400     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4401     type of pragma.  Case is ignored in
4402     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4403     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4404     in the following sections; any pragma encountered with an
4405     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4406     ignored.</para>
4407
4408     <sect2 id="deprecated-pragma">
4409       <title>DEPRECATED pragma</title>
4410       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4411       </indexterm>
4412
4413       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4414       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4415       forms.
4416
4417       <itemizedlist>
4418         <listitem>
4419           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4420 <programlisting>
4421    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4422      ...
4423 </programlisting>
4424           <para>When you compile any module that import
4425           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4426           message.</para>
4427         </listitem>
4428
4429         <listitem>
4430           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
4431           following top-level declaration:</para>
4432 <programlisting>
4433    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4434 </programlisting>
4435           <para>When you compile any module that imports and uses any
4436           of the specified entities, GHC will print the specified
4437           message.</para>
4438           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
4439           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
4440           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
4441           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
4442           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
4443           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
4444           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
4445         </listitem>
4446       </itemizedlist>
4447       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4448       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4449       deprecations are not reported for
4450       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4451       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4452       The latter reduces spurious complaints within a library
4453       in which one module gathers together and re-exports 
4454       the exports of several others.
4455       </para>
4456       <para>You can suppress the warnings with the flag
4457       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4458     </sect2>
4459
4460     <sect2 id="include-pragma">
4461       <title>INCLUDE pragma</title>
4462
4463       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4464         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4465         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4466         compiling via C).  For example:</para>
4467
4468 <programlisting>
4469 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4470 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4471
4472       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4473         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4474         pragma(s).</para>
4475
4476       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4477         to the <option>-#include</option> option (<xref
4478           linkend="options-C-compiler" />), because the
4479         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4480         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4481         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4482         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4483     </sect2>
4484
4485     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4486       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4487
4488       <para>These pragmas control the inlining of function
4489       definitions.</para>
4490
4491       <sect3 id="inline-pragma">
4492         <title>INLINE pragma</title>
4493         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4494
4495         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4496         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4497         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4498         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4499         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4500         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4501         export that unfolding for other modules to use.</para>
4502
4503         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4504         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4505         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4506
4507 <programlisting>
4508 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4509
4510 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4511 {-# INLINE key_function #-}
4512 #endif
4513 </programlisting>
4514
4515         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4516         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4517         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4518
4519         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4520         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4521         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4522         inline it.</para>
4523
4524         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4525         function can be put anywhere its type signature could be
4526         put.</para>
4527
4528         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4529         good idea for the
4530         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4531         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4532         a monad.  For example, in GHC's own
4533         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4534
4535 <programlisting>
4536 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4537 {-# INLINE thenUs #-}
4538 {-# INLINE returnUs #-}
4539 #endif
4540 </programlisting>
4541
4542         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4543         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4544       </sect3>
4545
4546       <sect3 id="noinline-pragma">
4547         <title>NOINLINE pragma</title>
4548         
4549         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4550         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4551
4552         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4553         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4554         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4555         you're very cautious about code size.</para>
4556
4557         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4558         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4559         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4560         inlining, so it should be used if you want your code to be
4561         portable).</para>
4562       </sect3>
4563
4564       <sect3 id="phase-control">
4565         <title>Phase control</title>
4566
4567         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4568         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4569         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4570         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4571         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4572         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4573         sequence of phase numbers for successive runs of the
4574         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4575         phase number, thus:</para>
4576
4577         <itemizedlist>
4578           <listitem>
4579             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4580             and all subsequent phases":
4581 <programlisting>
4582   {-# INLINE [2] f #-}
4583 </programlisting>
4584             </para>
4585           </listitem>
4586
4587           <listitem>
4588             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4589             phases up to, but not including, Phase 3":
4590 <programlisting>
4591   {-# INLINE [~3] g #-}
4592 </programlisting>
4593             </para>
4594           </listitem>
4595
4596           <listitem>
4597             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4598             all phases".</para>
4599           </listitem>
4600         </itemizedlist>
4601
4602         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4603
4604         <itemizedlist>
4605           <listitem>
4606             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4607             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4608             there was no pragma at all":
4609 <programlisting>
4610   {-# NOINLINE [2] f #-}
4611 </programlisting>
4612             </para>
4613           </listitem>
4614
4615           <listitem>
4616             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4617             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4618             there was no pragma":
4619 <programlisting>
4620   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4621 </programlisting>
4622             </para>
4623           </listitem>
4624
4625           <listitem>
4626             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4627             inline this function".</para>
4628           </listitem>
4629         </itemizedlist>
4630
4631         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4632         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
4633       </sect3>
4634     </sect2>
4635
4636     <sect2 id="line-pragma">
4637       <title>LINE pragma</title>
4638
4639       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4640       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4641       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4642       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4643       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4644       original code; for example</para>
4645
4646 <programlisting>
4647 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
4648 </programlisting>
4649
4650       <para>if you'd generated the current file from something called
4651       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4652       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4653       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4654       pragma.</para>
4655     </sect2>
4656
4657     <sect2 id="options-pragma">
4658       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
4659       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
4660       </indexterm>
4661       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
4662       </indexterm>
4663
4664       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
4665       additional options that are given to the compiler when compiling
4666       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
4667       details.</para>
4668
4669       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
4670         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
4671     </sect2>
4672
4673     <sect2 id="rules">
4674       <title>RULES pragma</title>
4675
4676       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4677       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
4678     </sect2>
4679
4680     <sect2 id="specialize-pragma">
4681       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4682
4683       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4684       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4685       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4686
4687       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4688       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4689       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4690       overloaded function:</para>
4691
4692 <programlisting>
4693   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4694 </programlisting>
4695
4696       <para>If it is heavily used on lists with
4697       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4698       follows:</para>
4699
4700 <programlisting>
4701   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4702 </programlisting>
4703
4704       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4705       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4706
4707       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
4708       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
4709       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
4710       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
4711
4712       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
4713         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
4714         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
4715 <programlisting>
4716   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
4717 </programlisting>
4718       is valid if and only if the defintion
4719 <programlisting>
4720   f_spec :: &lt;type&gt;
4721   f_spec = f
4722 </programlisting>
4723       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
4724       for the original function, not its code):
4725 <programlisting>
4726   f :: Eq a => a -> b -> b
4727   {-# SPECIALISE g :: Int -> b -> b #-}
4728
4729   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
4730   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
4731
4732   h :: Eq a => a -> a -> a
4733   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
4734 </programlisting>  
4735 The last of these examples will generate a 
4736 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
4737 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
4738 </para>
4739
4740       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
4741       specialised function for a given type:
4742
4743 <programlisting>
4744 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
4745 </programlisting>
4746
4747       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
4748       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
4749
4750     </sect2>
4751
4752 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4753 <title>SPECIALIZE instance pragma
4754 </title>
4755
4756 <para>
4757 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4758 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4759 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4760
4761 <programlisting>
4762 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4763    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4764    ... usual stuff ...
4765  }
4766 </programlisting>
4767 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4768 of the instance declaration.
4769 </para>
4770 <para>
4771 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4772 of the pragma.
4773 </para>
4774
4775 </sect2>
4776
4777     <sect2 id="unpack-pragma">
4778       <title>UNPACK pragma</title>
4779
4780       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4781       
4782       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4783       that it should unpack the contents of a constructor field into
4784       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4785       example:</para>
4786
4787 <programlisting>
4788 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4789            {-# UNPACK #-} !Float
4790 </programlisting>
4791
4792       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4793       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4794       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
4795       floats passed to a non-strict function for example, they will
4796       have to be reboxed (this is done automatically by the
4797       compiler).</para>
4798
4799       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4800       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4801       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4802       often as possible.  For example:</para>
4803
4804 <programlisting>
4805 f :: T -&#62; Float
4806 f (T f1 f2) = f1 + f2
4807 </programlisting>
4808
4809       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
4810       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
4811       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4812
4813       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
4814       example</para>
4815
4816 <programlisting>
4817 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
4818 </programlisting>
4819
4820       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
4821       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
4822       Multi-level unpacking is also supported:</para>
4823
4824 <programlisting>
4825 data T = T {-# UNPACK #-} !S
4826 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
4827 </programlisting>
4828
4829       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
4830       directly in the <function>T</function> constructor.  The
4831       unpacker can see through newtypes, too.</para>
4832
4833       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
4834       so it might be an idea to check the generated code with
4835       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
4836
4837       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
4838       which essentially has the effect of adding
4839       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
4840       constructor field.</para>
4841     </sect2>
4842
4843 </sect1>
4844
4845 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
4846
4847 <sect1 id="rewrite-rules">
4848 <title>Rewrite rules
4849
4850 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
4851 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
4852 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
4853
4854 <para>
4855 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
4856 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
4857 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
4858 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
4859 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
4860 </para>
4861
4862 <para>
4863 Here is an example:
4864
4865 <programlisting>
4866   {-# RULES
4867         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4868   #-}
4869 </programlisting>
4870
4871 </para>
4872
4873 <sect2>
4874 <title>Syntax</title>
4875
4876 <para>
4877 From a syntactic point of view:
4878
4879 <itemizedlist>
4880 <listitem>
4881
4882 <para>
4883  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
4884 </para>
4885 </listitem>
4886
4887 <listitem>
4888
4889 <para>
4890  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
4891 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
4892 </para>
4893 </listitem>
4894
4895 <listitem>
4896 <para>
4897 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
4898 immediately after the name of the rule.  Thus:
4899 <programlisting>
4900   {-# RULES
4901         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4902   #-}
4903 </programlisting>
4904 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
4905 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
4906 Phase 2.
4907 </para>
4908 </listitem>
4909
4910
4911 <listitem>
4912
4913 <para>
4914  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
4915 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
4916 enclosing definitions.
4917 </para>
4918 </listitem>
4919
4920 <listitem>
4921
4922 <para>
4923  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
4924 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
4925 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
4926 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
4927 </para>
4928 </listitem>
4929 <listitem>
4930
4931 <para>
4932  A pattern variable may optionally have a type signature.
4933 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
4934 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
4935
4936 <programlisting>
4937 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
4938               foldr k z (build g) = g k z
4939 </programlisting>
4940
4941 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
4942
4943 </para>
4944 </listitem>
4945 <listitem>
4946
4947 <para>
4948 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
4949 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
4950
4951 <programlisting>
4952 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
4953 "wrong2"   forall f.      f True = True
4954 </programlisting>
4955
4956 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
4957 in the head.
4958 </para>
4959 </listitem>
4960 <listitem>
4961
4962 <para>
4963  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
4964 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
4965 </para>
4966 </listitem>
4967 <listitem>
4968
4969 <para>
4970  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
4971 </para>
4972 </listitem>
4973
4974 </itemizedlist>
4975
4976 </para>
4977
4978 </sect2>
4979
4980 <sect2>
4981 <title>Semantics</title>
4982
4983 <para>
4984 From a semantic point of view:
4985
4986 <itemizedlist>
4987 <listitem>
4988
4989 <para>
4990 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
4991 </para>
4992 </listitem>
4993
4994 <listitem>
4995 <para>
4996  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
4997 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
4998 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
4999 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5000 expression by substituting for the pattern variables.
5001
5002 </para>
5003 </listitem>
5004 <listitem>
5005
5006 <para>
5007  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5008 same type.
5009
5010 </para>
5011 </listitem>
5012 <listitem>
5013
5014 <para>
5015  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5016 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5017 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5018
5019 </para>
5020 </listitem>
5021 <listitem>
5022
5023 <para>
5024  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5025 terminating.  For example:
5026
5027 <programlisting>
5028   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5029 </programlisting>
5030
5031 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5032
5033 </para>
5034 </listitem>
5035 <listitem>
5036
5037 <para>
5038  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5039
5040 </para>
5041 </listitem>
5042 <listitem>
5043 <para>
5044  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5045 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5046 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5047 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5048 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5049 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5050 </para>
5051
5052 <para>
5053 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5054 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5055 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5056 </para>
5057 </listitem>
5058 <listitem>
5059
5060 <para>
5061  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5062 For example, consider:
5063
5064 <programlisting>
5065   let s = map f
5066       t = map g
5067   in
5068   s (t xs)
5069 </programlisting>
5070
5071 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5072 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5073 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5074 not be substituted, and the rule would not fire.
5075
5076 </para>
5077 </listitem>
5078 <listitem>
5079
5080 <para>
5081  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5082 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5083 for something you can't match against it (given the simple minded
5084 matching).  So if you write the rule
5085
5086 <programlisting>
5087         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5088 </programlisting>
5089
5090 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5091 It will only match something written with explicit use of ".".
5092 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5093
5094 <programlisting>
5095 wibble f g xs
5096 </programlisting>
5097
5098 where <function>wibble</function> is defined:
5099
5100 <programlisting>
5101 wibble f g = map f . map g
5102 </programlisting>
5103
5104 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5105
5106 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5107 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5108 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5109
5110 </para>
5111 </listitem>
5112 <listitem>
5113
5114 <para>
5115  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5116 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5117 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5118 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5119 declarations.
5120 </para>
5121 </listitem>
5122
5123 </itemizedlist>
5124
5125 </para>
5126
5127 </sect2>
5128
5129 <sect2>
5130 <title>List fusion</title>
5131
5132 <para>
5133 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5134 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5135 intermediate list should be eliminated entirely.
5136 </para>
5137
5138 <para>
5139 The following are good producers:
5140
5141 <itemizedlist>
5142 <listitem>
5143
5144 <para>
5145  List comprehensions
5146 </para>
5147 </listitem>
5148 <listitem>
5149
5150 <para>
5151  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5152 </para>
5153 </listitem>
5154 <listitem>
5155
5156 <para>
5157  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5158 </para>
5159 </listitem>
5160 <listitem>
5161
5162 <para>
5163  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5164 </para>
5165 </listitem>
5166 <listitem>
5167
5168 <para>
5169  <function>++</function>
5170 </para>
5171 </listitem>
5172
5173 <listitem>
5174 <para>
5175  <function>map</function>
5176 </para>
5177 </listitem>
5178
5179 <listitem>
5180 <para>
5181  <function>filter</function>
5182 </para>
5183 </listitem>
5184 <listitem>
5185
5186 <para>
5187  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5188 </para>
5189 </listitem>
5190 <listitem>
5191
5192 <para>
5193  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5194 </para>
5195 </listitem>
5196
5197 </itemizedlist>
5198
5199 </para>
5200
5201 <para>
5202 The following are good consumers:
5203
5204 <itemizedlist>
5205 <listitem>
5206
5207 <para>
5208  List comprehensions
5209 </para>
5210 </listitem>
5211 <listitem>
5212
5213 <para>
5214  <function>array</function> (on its second argument)
5215 </para>
5216 </listitem>
5217 <listitem>
5218
5219 <para>
5220  <function>length</function>
5221 </para>
5222 </listitem>
5223 <listitem>
5224
5225 <para>
5226  <function>++</function> (on its first argument)
5227 </para>
5228 </listitem>
5229
5230 <listitem>
5231 <para>
5232  <function>foldr</function>
5233 </para>
5234 </listitem>
5235
5236 <listitem>
5237 <para>
5238  <function>map</function>
5239 </para>
5240 </listitem>
5241 <listitem>
5242
5243 <para>
5244  <function>filter</function>
5245 </para>
5246 </listitem>
5247 <listitem>
5248
5249 <para>
5250  <function>concat</function>
5251 </para>
5252 </listitem>
5253 <listitem>
5254
5255 <para>
5256  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5257 </para>
5258 </listitem>
5259 <listitem>
5260
5261 <para>
5262  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5263 will fuse with one but not the other)
5264 </para>
5265 </listitem>
5266 <listitem>
5267
5268 <para>
5269  <function>partition</function>
5270 </para>
5271 </listitem>
5272 <listitem>
5273
5274 <para>
5275  <function>head</function>
5276 </para>
5277 </listitem>
5278 <listitem>
5279
5280 <para>
5281  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5282 </para>
5283 </listitem>
5284 <listitem>
5285
5286 <para>
5287  <function>sequence&lowbar;</function>
5288 </para>
5289 </listitem>
5290 <listitem>
5291
5292 <para>
5293  <function>msum</function>
5294 </para>
5295 </listitem>
5296 <listitem>
5297
5298 <para>
5299  <function>sortBy</function>
5300 </para>
5301 </listitem>
5302
5303 </itemizedlist>
5304
5305 </para>
5306
5307  <para>
5308 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5309
5310 <programlisting>
5311 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5312 </programlisting>
5313
5314 </para>
5315
5316 <para>
5317 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5318 a lot which are not included, please tell us.
5319 </para>
5320
5321 <para>
5322 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5323 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5324 </para>
5325
5326 </sect2>
5327
5328 <sect2 id="rule-spec">
5329 <title>Specialisation
5330 </title>
5331
5332 <para>
5333 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5334 present in earlier versions of GHC.
5335 For example, suppose that:
5336
5337 <programlisting>
5338 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5339 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5340 </programlisting>
5341
5342 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5343 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5344 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5345 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5346 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5347 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5348 It used to be possible to write
5349
5350 <programlisting>
5351 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5352 </programlisting>
5353
5354 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5355
5356 <programlisting>
5357 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5358 </programlisting>
5359
5360 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5361 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5362 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5363 What is more, this rule does not need to be in the same
5364 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5365 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5366 have an original definition available to specialise).
5367 </para>
5368
5369 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5370 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5371 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5372
5373 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5374 specialisation will Win Big:
5375
5376 <programlisting>
5377 toDouble :: Real a => a -> Double
5378 toDouble = fromRational . toRational
5379
5380 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5381 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5382 </programlisting>
5383
5384 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5385 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5386 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5387 comparison.
5388 </para>
5389
5390 </sect2>
5391
5392 <sect2>
5393 <title>Controlling what's going on</title>
5394
5395 <para>
5396
5397 <itemizedlist>
5398 <listitem>
5399
5400 <para>
5401  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5402 </para>
5403 </listitem>
5404 <listitem>
5405
5406 <para>
5407  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5408 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5409 </para>
5410 </listitem>
5411 <listitem>
5412
5413 <para>
5414  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5415
5416 <programlisting>
5417         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5418         {-# INLINE build #-}
5419         build g = g (:) []
5420 </programlisting>
5421
5422 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5423 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5424 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5425 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5426
5427 </para>
5428 </listitem>
5429 <listitem>
5430
5431 <para>
5432  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5433 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5434 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5435 </para>
5436 </listitem>
5437
5438 </itemizedlist>
5439
5440 </para>
5441
5442 </sect2>
5443
5444 <sect2 id="core-pragma">
5445   <title>CORE pragma</title>
5446
5447   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5448   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5449   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5450
5451 <para>
5452   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5453   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5454   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5455   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5456   literal as an argument.  The following function definition shows an
5457   example:
5458
5459 <programlisting>
5460 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5461 </programlisting>
5462
5463   Semantically, this is equivalent to:
5464
5465 <programlisting>
5466 g x = show x
5467 </programlisting>
5468 </para>
5469
5470 <para>
5471   However, when external for is generated (via
5472   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5473   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5474   The core function declaration for <function>f</function> is:
5475 </para>
5476
5477 <programlisting>
5478   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5479                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5480     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5481         (%note "foo"
5482          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5483            {GHCziShow.ZCDShow
5484             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5485                    a ->
5486                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5487 r)
5488             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5489             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5490                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5491 r) ->
5492               tpl2})
5493         (%note "foo"
5494          eta);
5495 </programlisting>
5496
5497 <para>
5498   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5499   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5500   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5501   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5502   <varname>x</varname>).
5503 </para>
5504
5505 </sect2>
5506
5507 </sect1>
5508
5509 <sect1 id="generic-classes">
5510 <title>Generic classes</title>
5511
5512     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5513     GHC 5.02).</para>
5514
5515 <para>
5516 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5517 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5518 An example will give the idea:
5519 </para>
5520
5521 <programlisting>
5522   import Generics
5523
5524   class Bin a where
5525     toBin   :: a -> [Int]
5526     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5527   
5528     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5529     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5530     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5531     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5532   
5533     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5534     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5535     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5536     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5537                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5538 </programlisting>
5539 <para>
5540 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5541 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5542 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5543 </para>
5544 <programlisting>
5545   data Unit    = Unit
5546   data a :+: b = Inl a | Inr b
5547   data a :*: b = a :*: b
5548 </programlisting>
5549 <para>
5550 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5551 <programlisting>
5552   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5553   instance Bin a => Bin [a]
5554 </programlisting>
5555 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5556 where clause and over-ride whichever methods you please.
5557 </para>
5558
5559     <sect2>
5560       <title> Using generics </title>
5561       <para>To use generics you need to</para>
5562       <itemizedlist>
5563         <listitem>
5564           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5565                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5566                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5567                 available.  </para>
5568         </listitem>
5569         <listitem>
5570           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5571           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5572           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5573           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5574           don't need this import if you don't mention these types
5575           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5576           declarations.)</para>
5577         </listitem>
5578       </itemizedlist>
5579     </sect2>
5580
5581 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5582 <para>
5583 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5584 can be written infix (indeed, you can now use
5585 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5586 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5587 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5588 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5589 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5590 anticipate wanting).
5591 </para>
5592 </sect2>
5593
5594 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5595 <para>
5596 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5597 is one that is defined using type patterns as above.
5598 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5599 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5600 generic default method.
5601 </para>
5602
5603 <para>
5604 Restrictions:
5605 <itemizedlist>
5606 <listitem>
5607 <para>
5608 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5609 field labels.
5610 </para>
5611 </listitem>
5612
5613 <listitem>
5614 <para>
5615 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5616 multi-parameter class.
5617 </para>
5618 </listitem>
5619
5620 <listitem>
5621 <para>
5622 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5623 without.  So this is illegal:
5624 <programlisting>
5625   class Foo a where
5626     op :: a -> (a, Bool)
5627     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5628     op x               = (x,    False)
5629 </programlisting>
5630 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5631 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5632 </para>
5633 </listitem>
5634
5635 <listitem>
5636 <para>
5637 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5638 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:
5639 <programlisting>
5640   class Foo a where
5641     op :: a -> Bool
5642     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5643     ...
5644 </programlisting>
5645 </para>
5646 </listitem>
5647
5648 <listitem>
5649 <para>
5650 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5651 <programlisting>
5652        a :+: b
5653        a :*: b
5654        Unit
5655 </programlisting>
5656 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5657 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5658 must use the same type variables.  So this is illegal:
5659 <programlisting>
5660   class Foo a where
5661     op :: a -> Bool
5662     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5663     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5664 </programlisting>
5665 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5666 So this too is illegal:
5667 <programlisting>
5668   class Foo a where
5669     op1 :: a -> Bool
5670     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5671
5672     op2 :: a -> Bool
5673     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5674 </programlisting>
5675 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5676 into a single generic instance declaration.)
5677 </para>
5678 </listitem>
5679
5680 <listitem>
5681 <para>
5682 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5683 </para>
5684 </listitem>
5685
5686 <listitem>
5687 <para>
5688 The type for a generic method can be built only from:
5689   <itemizedlist>
5690   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5691   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5692   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5693   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5694   </itemizedlist>
5695 Here are some example type signatures for generic methods:
5696 <programlisting>
5697     op1 :: a -> Bool
5698     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5699     op3 :: [Int] -> a -> a
5700     op4 :: [a] -> Bool
5701 </programlisting>
5702 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5703 inside a list.  
5704 </para>
5705 <para>
5706 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5707 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5708 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5709 to the ones that are allowed.</para>
5710 </listitem>
5711
5712 <listitem>
5713 <para>
5714 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5715 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5716 do so if
5717   <itemizedlist>
5718   <listitem>
5719   <para>
5720   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5721   </para>
5722   </listitem>
5723   <listitem>
5724   <para>
5725   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5726   </para>
5727   </listitem>
5728   </itemizedlist>
5729 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5730 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5731 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5732 </para>
5733 </listitem>
5734
5735 </itemizedlist>
5736 </para>
5737
5738 <para>
5739 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5740 what the compiler does with generic declarations.
5741 </para>
5742
5743 </sect2>
5744
5745 <sect2> <title> Another example </title>
5746 <para>
5747 Just to finish with, here's another example I rather like:
5748 <programlisting>
5749   class Tag a where
5750     nCons :: a -> Int
5751     nCons {| Unit |}    _ = 1
5752     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5753     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5754   
5755     tag :: a -> Int
5756     tag {| Unit |}    _       = 1
5757     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5758     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5759     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5760 </programlisting>
5761 </para>
5762 </sect2>
5763 </sect1>
5764
5765
5766
5767 <!-- Emacs stuff:
5768      ;;; Local Variables: ***
5769      ;;; mode: xml ***
5770      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
5771      ;;; End: ***
5772  -->
5773