[project @ 2005-05-25 12:38:14 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 </sect2>
3212
3213 <sect2 id="newtype-deriving">
3214 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3215
3216 <para>
3217 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3218 the new type to inherit some instances from its representation. In
3219 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3220 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3221 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3222 example, if you define
3223
3224 <programlisting> 
3225   newtype Dollars = Dollars Int 
3226 </programlisting> 
3227
3228 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3229 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3230
3231 <programlisting> 
3232   instance Num Dollars where
3233     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3234     ...
3235 </programlisting>
3236 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3237 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3238 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3239 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3240 dictionary, only slower!
3241 </para>
3242
3243
3244 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3245 <para>
3246 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3247 <programlisting> 
3248   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3249 </programlisting> 
3250
3251 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3252 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3253 derives an instance declaration of the form
3254
3255 <programlisting> 
3256   instance Num Int => Num Dollars
3257 </programlisting> 
3258
3259 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3260 </para>
3261 <para>
3262
3263 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3264 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3265 transformers, such that
3266
3267 <programlisting> 
3268   instance Monad m => Monad (State s m) 
3269   instance Monad m => Monad (Failure m)
3270 </programlisting> 
3271 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3272 <programlisting> 
3273   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3274 </programlisting> 
3275
3276 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3277 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3278 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3279
3280 <programlisting> 
3281   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3282                          deriving Monad
3283 </programlisting>
3284 In this case the derived instance declaration is of the form 
3285 <programlisting> 
3286   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3287 </programlisting> 
3288
3289 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3290 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3291 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3292 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3293 declaration.
3294 </para>
3295 <para>
3296
3297 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3298 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3299 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3300 clause. For example, given the class
3301
3302 <programlisting> 
3303   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3304   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3305 </programlisting> 
3306 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3307 <programlisting> 
3308   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3309                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3310 </programlisting>
3311
3312 The derived instance is obtained by completing the application of the
3313 class to the new type:
3314
3315 <programlisting> 
3316   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3317            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3318 </programlisting>
3319 </para>
3320 <para>
3321
3322 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3323  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3324 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3325 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3326 the newtype and its representation.
3327 </para>
3328 </sect3>
3329
3330 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3331 <para>
3332 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3333 declaration (after expansion of any type synonyms)
3334
3335 <programlisting> 
3336   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3337 </programlisting> 
3338
3339 where 
3340  <itemizedlist>
3341 <listitem><para>
3342   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3343 </para></listitem>
3344 <listitem><para>
3345   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3346 </para></listitem>
3347 <listitem><para>
3348   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3349   the <literal>ti</literal>, and
3350 </para></listitem>
3351 <listitem><para>
3352   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3353   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3354   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3355 </para></listitem>
3356 <listitem><para>
3357   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3358                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3359                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3360                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3361                 via this new mechanism.  
3362 </para></listitem>
3363 </itemizedlist>
3364 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3365 declaration is:
3366 <programlisting> 
3367   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3368 </programlisting>
3369 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3370 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3371 </para>
3372 <para>
3373
3374 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3375 <programlisting> 
3376   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3377 </programlisting> 
3378 Here we cannot derive the instance 
3379 <programlisting> 
3380   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3381 </programlisting> 
3382
3383 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3384 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3385 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3386 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3387 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3388 </para>
3389 <para>
3390
3391 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3392 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3393 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3394
3395 <programlisting> 
3396   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3397 </programlisting>
3398
3399 then we would not have been able to derive an instance for the
3400 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3401 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3402 instances is most interesting.
3403 </para>
3404 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3405 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3406 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3407 4.3.3. of the Haskell Report).
3408 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3409 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3410 the standard method is used or the one described here.)
3411 </para>
3412 </sect3>
3413
3414 </sect2>
3415
3416
3417 </sect1>
3418 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3419   
3420 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3421
3422 <sect1 id="gadt">
3423 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3424
3425 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3426 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3427 <programlisting>
3428   data Term a where
3429       Lit    :: Int -> Term Int
3430       Succ   :: Term Int -> Term Int
3431       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3432       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3433       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3434 </programlisting>
3435 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3436 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3437 for these <literal>Terms</literal>:
3438 <programlisting>
3439   eval :: Term a -> a
3440   eval (Lit i)      = i
3441   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3442   eval (IsZero i)   = eval i == 0
3443   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3444   eval (Pair e1 e2) = (eval e2, eval e2)
3445 </programlisting>
3446 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3447 </para>
3448 <para> The extensions to GHC are these:
3449 <itemizedlist>
3450 <listitem><para>
3451   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3452 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3453 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3454 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3455 <programlisting>
3456   data Term :: * -> * where ...
3457 </programlisting>
3458 or even a mixture of the two:
3459 <programlisting>
3460   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3461 </programlisting>
3462 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3463 like this:
3464 <programlisting>
3465   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3466 </programlisting>
3467 </para></listitem>
3468
3469 <listitem><para>
3470 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3471 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3472 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3473 </para></listitem>
3474
3475 <listitem><para>
3476 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type declaration,
3477 nor can you use record syntax.  (It's not clear what these constructs would mean.  For example,
3478 the record selectors might ill-typed.)  However, you can use strictness annotations, in the obvious places
3479 in the constructor type:
3480 <programlisting>
3481   data Term a where
3482       Lit    :: !Int -> Term Int
3483       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3484       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3485 </programlisting>
3486 </para></listitem>
3487
3488 <listitem><para>
3489 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3490 <programlisting>
3491   eval :: Term a -> a
3492   eval (Lit i) =  ...
3493 </programlisting>
3494 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3495 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3496 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3497
3498 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3499 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3500 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3501 <programlisting>
3502   eval :: Term a -> a -> a
3503   eval (Lit i) j =  i+j
3504 </programlisting>
3505 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3506 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3507 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3508 </para>
3509 </listitem>
3510 </itemizedlist>
3511 </para>
3512
3513 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3514 <programlisting>
3515   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3516   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
3517 </programlisting>
3518 </para>
3519 </sect1>
3520
3521 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3522
3523 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3524
3525 <sect1 id="template-haskell">
3526 <title>Template Haskell</title>
3527
3528 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3529 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3530 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3531 the background to
3532 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3533 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3534 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3535 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3536 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3537 (search for the type ExpQ).
3538 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3539       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3540 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3541 </para>
3542
3543 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3544 </para>
3545
3546 <para>
3547 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3548 Tim Sheard is going to expand it.)
3549 </para>
3550
3551     <sect2>
3552       <title>Syntax</title>
3553
3554       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3555       constructions.  You need to use the flag
3556       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3557       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3558       (<option>-fth</option> is currently implied by
3559       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3560       specify it explicitly).</para>
3561
3562         <itemizedlist>
3563               <listitem><para>
3564                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3565                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3566                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3567                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3568                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3569                   </para>
3570               <para> A splice can occur in place of 
3571                   <itemizedlist>
3572                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must have type <literal>Expr</literal></para></listitem>
3573                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3574                     <listitem><para> a type; the spliced expression must have type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3575                     </itemizedlist>
3576            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3577         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3578         as in the paper.)
3579                 </para></listitem>
3580
3581
3582               <listitem><para>
3583                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3584                   <itemizedlist>
3585                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3586                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3587                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3588                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3589                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3590                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3591                   </itemizedlist></para></listitem>
3592
3593               <listitem><para>
3594                   Reification is written thus:
3595                   <itemizedlist>
3596                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3597                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3598                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3599                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3600                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3601                     
3602                   </itemizedlist></para>
3603                 </listitem>
3604
3605                   
3606         </itemizedlist>
3607 </sect2>
3608
3609 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3610 <para>
3611 <itemizedlist>
3612     <listitem><para>
3613     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3614     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3615     </para></listitem>
3616
3617     <listitem><para>
3618     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3619             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3620             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3621    </para></listitem>
3622
3623     <listitem><para>
3624             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3625    </para></listitem>
3626     <listitem><para>
3627             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3628               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3629               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3630               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3631               those of the compiler itself.
3632    </para></listitem>
3633 </itemizedlist>
3634 </para>
3635 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3636         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3637         has been lifted.
3638 </para>
3639 </sect2>
3640  
3641 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3642 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3643   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3644
3645 <programlisting>
3646
3647 {- Main.hs -}
3648 module Main where
3649
3650 -- Import our template "pr"
3651 import Printf ( pr )
3652
3653 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3654 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3655 -- the argument of "putStrLn".
3656 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3657
3658
3659 {- Printf.hs -}
3660 module Printf where
3661
3662 -- Skeletal printf from the paper.
3663 -- It needs to be in a separate module to the one where
3664 -- you intend to use it.
3665
3666 -- Import some Template Haskell syntax
3667 import Language.Haskell.TH
3668
3669 -- Describe a format string
3670 data Format = D | S | L String
3671
3672 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3673 -- as we are here interested in building our first ever
3674 -- Template Haskell program and not in building printf.
3675 parse :: String -> [Format]
3676 parse s   = [ L s ]
3677
3678 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3679 -- of the format string.  This code will be spliced into
3680 -- the module which calls "pr", at compile time.
3681 gen :: [Format] -> ExpQ
3682 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3683 gen [S]   = [| \s -> s |]
3684 gen [L s] = stringE s
3685
3686 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3687 -- from an input format string.
3688 pr :: String -> ExpQ
3689 pr s      = gen (parse s)
3690 </programlisting>
3691
3692 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3693 </para>
3694 <programlisting>
3695 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3696 </programlisting>
3697
3698 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3699
3700 <programlisting>
3701 $ ./main
3702 Hello
3703 </programlisting>
3704
3705 </sect2>
3706  
3707 </sect1>
3708
3709 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3710
3711 <sect1 id="arrow-notation">
3712 <title>Arrow notation
3713 </title>
3714
3715 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3716 For more details, see
3717 <itemizedlist>
3718
3719 <listitem>
3720 <para>
3721 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3722 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3723 pp67&ndash;111, May 2000.
3724 </para>
3725 </listitem>
3726
3727 <listitem>
3728 <para>
3729 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3730 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3731 </para>
3732 </listitem>
3733
3734 <listitem>
3735 <para>
3736 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3737 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3738 Palgrave, 2003.
3739 </para>
3740 </listitem>
3741
3742 </itemizedlist>
3743 and the arrows web page at
3744 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3745 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3746 notation described in the second of these papers.
3747 What follows is a brief introduction to the notation;
3748 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3749 This notation is translated to ordinary Haskell,
3750 using combinators from the
3751 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3752 module.
3753 </para>
3754
3755 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
3756 <screen>
3757 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
3758        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3759 </screen>
3760 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3761 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3762 <literal>proc</literal>-expression,
3763 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3764 The syntax of commands is as follows:
3765 <screen>
3766 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
3767        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
3768        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
3769 </screen>
3770 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
3771 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
3772 infix operators as for expressions, and
3773 <screen>
3774 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3775        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
3776        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
3777        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
3778        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
3779        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
3780
3781 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
3782        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
3783        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
3784
3785 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
3786        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
3787        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
3788        |  <replaceable>cmd</replaceable>
3789 </screen>
3790 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
3791 except that the bodies are commands instead of expressions.
3792 </para>
3793
3794 <para>
3795 Commands produce values, but (like monadic computations)
3796 may yield more than one value,
3797 or none, and may do other things as well.
3798 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
3799 using commands.
3800 However the values of expressions, even monadic ones,
3801 are determined by the values of the variables they contain;
3802 this is not necessarily the case for commands.
3803 </para>
3804
3805 <para>
3806 A simple example of the new notation is the expression
3807 <screen>
3808 proc x -> f -&lt; x+1
3809 </screen>
3810 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
3811 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
3812 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
3813 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
3814 It refers to the input to the arrow.
3815 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
3816 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
3817 type and an expression to be fed as input to that arrow.
3818 (The weird look will make more sense later.)
3819 It may be read as analogue of application for arrows.
3820 The above example is equivalent to the Haskell expression
3821 <screen>
3822 arr (\ x -> x+1) >>> f
3823 </screen>
3824 That would make no sense if the expression to the left of
3825 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
3826 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
3827 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
3828 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
3829 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
3830 <screen>
3831 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
3832 </screen>
3833 which is equivalent to
3834 <screen>
3835 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
3836 </screen>
3837 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
3838 class.
3839 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
3840 you may find a monadic formulation more convenient.
3841 </para>
3842
3843 <sect2>
3844 <title>do-notation for commands</title>
3845
3846 <para>
3847 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
3848 For example, you can write
3849 <screen>
3850 proc x -> do
3851         y &lt;- f -&lt; x+1
3852         g -&lt; 2*y
3853         let z = x+y
3854         t &lt;- h -&lt; x*z
3855         returnA -&lt; t+z
3856 </screen>
3857 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
3858 but with commands in place of monadic expressions.
3859 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
3860 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
3861 <literal>y</literal>.
3862 In the next line, the output is discarded.
3863 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
3864 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3865 module as <literal>arr id</literal>.
3866 The above example is treated as an abbreviation for
3867 <screen>
3868 arr (\ x -> (x, x)) >>>
3869         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
3870         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
3871         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
3872         arr snd >>>
3873         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
3874         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
3875         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
3876         returnA
3877 </screen>
3878 Note that variables not used later in the composition are projected out.
3879 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
3880 defined in the
3881 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3882 module, this reduces to
3883 <screen>
3884 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
3885         first f >>>
3886         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
3887         first g >>>
3888         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
3889         first h >>>
3890         arr (\ (t, z) -> t+z)
3891 </screen>
3892 which is what you might have written by hand.
3893 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
3894 </para>
3895
3896 <para>
3897 Note that although the above translation suggests that
3898 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
3899 monomorphic, the actual translation produces Core,
3900 so polymorphic variables are allowed.
3901 </para>
3902
3903 <para>
3904 It's also possible to have mutually recursive bindings,
3905 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
3906 <programlisting>
3907 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
3908 counter = proc reset -> do
3909         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
3910                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
3911         returnA -&lt; output
3912 </programlisting>
3913 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
3914 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
3915 </para>
3916
3917 </sect2>
3918
3919 <sect2>
3920 <title>Conditional commands</title>
3921
3922 <para>
3923 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
3924 input for an arrow.
3925 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
3926 <screen>
3927 proc (x,y) ->
3928         if f x y
3929         then g -&lt; x+1
3930         else h -&lt; y+2
3931 </screen>
3932 which is translated to
3933 <screen>
3934 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
3935         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
3936 </screen>
3937 Since the translation uses <function>|||</function>,
3938 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
3939 </para>
3940
3941 <para>
3942 There are also <literal>case</literal> commands, like
3943 <screen>
3944 case input of
3945     [] -> f -&lt; ()
3946     [x] -> g -&lt; x+1
3947     x1:x2:xs -> do
3948         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
3949         ys &lt;- k -&lt; xs
3950         returnA -&lt; y:ys
3951 </screen>
3952 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
3953 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
3954 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
3955 </para>
3956
3957 </sect2>
3958
3959 <sect2>
3960 <title>Defining your own control structures</title>
3961
3962 <para>
3963 As we're seen, arrow notation provides constructs,
3964 modelled on those for expressions,
3965 for sequencing, value recursion and conditionals.
3966 But suitable combinators,
3967 which you can define in ordinary Haskell,
3968 may also be used to build new commands out of existing ones.
3969 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
3970 These environments assign values to the free local variables of the command.
3971 Thus combinators that produce arrows from arrows
3972 may also be used to build commands from commands.
3973 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
3974 <programlisting>
3975 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
3976 </programlisting>
3977 so we can use it to build commands:
3978 <programlisting>
3979 expr' = proc x -> do
3980                 returnA -&lt; x
3981         &lt;+> do
3982                 symbol Plus -&lt; ()
3983                 y &lt;- term -&lt; ()
3984                 expr' -&lt; x + y
3985         &lt;+> do
3986                 symbol Minus -&lt; ()
3987                 y &lt;- term -&lt; ()
3988                 expr' -&lt; x - y
3989 </programlisting>
3990 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
3991 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
3992 expression on the previous line.)
3993 This is equivalent to
3994 <programlisting>
3995 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
3996         &lt;+> (proc x -> do
3997                 symbol Plus -&lt; ()
3998                 y &lt;- term -&lt; ()
3999                 expr' -&lt; x + y)
4000         &lt;+> (proc x -> do
4001                 symbol Minus -&lt; ()
4002                 y &lt;- term -&lt; ()
4003                 expr' -&lt; x - y)
4004 </programlisting>
4005 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4006 (representing the environment input to the command
4007 and thence to its subcommands)
4008 and satisfy the corresponding naturality property
4009 <screen>
4010 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4011 </screen>
4012 at least for strict <literal>k</literal>.
4013 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4014 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4015 of the whole command,
4016 and also allows the translation to safely trim these environments.
4017 The operator must also not use any variable defined within the current
4018 arrow abstraction.
4019 </para>
4020
4021 <para>
4022 We could define our own operator
4023 <programlisting>
4024 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4025 untilA body cond = proc x ->
4026         if cond x then returnA -&lt; ()
4027         else do
4028                 body -&lt; x
4029                 untilA body cond -&lt; x
4030 </programlisting>
4031 and use it in the same way.
4032 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4033 there is also a more general syntax involving special brackets:
4034 <screen>
4035 proc x -> do
4036         y &lt;- f -&lt; x+1
4037         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4038 </screen>
4039 </para>
4040
4041 </sect2>
4042
4043 <sect2>
4044 <title>Primitive constructs</title>
4045
4046 <para>
4047 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4048 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4049 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4050 exception that occurred to the handler.
4051 Such an operator might have a type
4052 <screen>
4053 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4054 </screen>
4055 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4056 You could then use this with arrow notation by writing a command
4057 <screen>
4058 body `handleA` \ ex -> handler
4059 </screen>
4060 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4061 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4062 and the command <literal>handler</literal>,
4063 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4064 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4065 we are talking about commands, and something different is going on.
4066 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4067 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4068 In all the prior examples, this stack was empty.
4069 In the second argument to <function>handleA</function>,
4070 this stack consists of one value, the value of the exception.
4071 The command form of lambda merely gives this value a name.
4072 </para>
4073
4074 <para>
4075 More concretely,
4076 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4077 So operators like <function>handleA</function> that pass
4078 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4079 by pairing the values with the environment in this way.
4080 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4081 should have the form
4082 <screen>
4083 a (...(e,t1), ... tn) t
4084 </screen>
4085 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4086 (representing the environment)
4087 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4088 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4089 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4090 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4091 <replaceable>t</replaceable>.
4092 However the arrows involved need not be the same.
4093 Here are some more examples of suitable operators:
4094 <screen>
4095 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4096 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4097 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4098 </screen>
4099 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4100 by applying them to ordinary expressions, as in
4101 <screen>
4102 proc x -> do
4103         s &lt;- ...
4104         (|runReader (do { ... })|) s
4105 </screen>
4106 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4107 built using <function>runReader</function>.
4108 </para>
4109
4110 <para>
4111 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4112 the expression versions.
4113 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4114 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4115 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4116 though the results would be somewhat clumsy.
4117 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4118 <programlisting>
4119 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4120 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4121
4122 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4123 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4124 </programlisting>
4125 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4126 <programlisting>
4127 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4128 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4129 </programlisting>
4130 </para>
4131
4132 </sect2>
4133
4134 <sect2>
4135 <title>Differences with the paper</title>
4136
4137 <itemizedlist>
4138
4139 <listitem>
4140 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4141 translations, the implementation provides two forms
4142 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4143 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4144 </para>
4145 </listitem>
4146
4147 <listitem>
4148 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4149 a new <literal>form</literal> keyword.
4150 </para>
4151 </listitem>
4152
4153 </itemizedlist>
4154
4155 </sect2>
4156
4157 <sect2>
4158 <title>Portability</title>
4159
4160 <para>
4161 Although only GHC implements arrow notation directly,
4162 there is also a preprocessor
4163 (available from the 
4164 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4165 that translates arrow notation into Haskell 98
4166 for use with other Haskell systems.
4167 You would still want to check arrow programs with GHC;
4168 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4169 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4170 additional restrictions:
4171 <itemizedlist>
4172
4173 <listitem>
4174 <para>
4175 The module must import
4176 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4177 </para>
4178 </listitem>
4179
4180 <listitem>
4181 <para>
4182 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4183 These would have to go in separate modules.
4184 </para>
4185 </listitem>
4186
4187 <listitem>
4188 <para>
4189 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4190 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4191 </para>
4192 </listitem>
4193
4194 </itemizedlist>
4195 </para>
4196
4197 </sect2>
4198
4199 </sect1>
4200
4201 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4202
4203 <sect1 id="sec-assertions">
4204 <title>Assertions
4205 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4206 </title>
4207
4208 <para>
4209 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4210 could define a function like the following:
4211 </para>
4212
4213 <para>
4214
4215 <programlisting>
4216 assert :: Bool -> a -> a
4217 assert False x = error "assertion failed!"
4218 assert _     x = x
4219 </programlisting>
4220
4221 </para>
4222
4223 <para>
4224 which works, but gives you back a less than useful error message --
4225 an assertion failed, but which and where?
4226 </para>
4227
4228 <para>
4229 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4230 takes a descriptive string to include in the error message and
4231 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4232 the source location where <function>assert</function> was used.
4233 </para>
4234
4235 <para>
4236 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4237 use of <function>assert</function> in the user's source:
4238 </para>
4239
4240 <para>
4241
4242 <programlisting>
4243 kelvinToC :: Double -> Double
4244 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4245 </programlisting>
4246
4247 </para>
4248
4249 <para>
4250 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4251 assertion was made,
4252 </para>
4253
4254 <para>
4255
4256 <programlisting>
4257 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4258 </programlisting>
4259
4260 </para>
4261
4262 <para>
4263 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4264 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4265 can still define and use your own versions of
4266 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4267 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4268 <function>assert</function> in your code.
4269 </para>
4270
4271 <para>
4272 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
4273 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
4274 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
4275 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4276 <literal>e</literal>.
4277 </para>
4278
4279 <para>
4280 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4281 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4282 </para>
4283
4284 </sect1>
4285
4286
4287 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4288
4289   <sect1 id="pragmas">
4290     <title>Pragmas</title>
4291
4292     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4293
4294     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4295     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4296     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4297     of the generated code.</para>
4298
4299     <para>Pragmas all take the form
4300
4301 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4302
4303     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4304     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4305     type of pragma.  Case is ignored in
4306     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4307     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4308     in the following sections; any pragma encountered with an
4309     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4310     ignored.</para>
4311
4312     <sect2 id="deprecated-pragma">
4313       <title>DEPRECATED pragma</title>
4314       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4315       </indexterm>
4316
4317       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4318       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4319       forms.
4320
4321       <itemizedlist>
4322         <listitem>
4323           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4324 <programlisting>
4325    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4326      ...
4327 </programlisting>
4328           <para>When you compile any module that import
4329           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4330           message.</para>
4331         </listitem>
4332
4333         <listitem>
4334           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
4335           following top-level declaration:</para>
4336 <programlisting>
4337    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4338 </programlisting>
4339           <para>When you compile any module that imports and uses any
4340           of the specified entities, GHC will print the specified
4341           message.</para>
4342           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
4343           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
4344           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
4345           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
4346           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
4347           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
4348           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
4349         </listitem>
4350       </itemizedlist>
4351       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4352       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4353       deprecations are not reported for
4354       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4355       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4356       The latter reduces spurious complaints within a library
4357       in which one module gathers together and re-exports 
4358       the exports of several others.
4359       </para>
4360       <para>You can suppress the warnings with the flag
4361       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4362     </sect2>
4363
4364     <sect2 id="include-pragma">
4365       <title>INCLUDE pragma</title>
4366
4367       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4368         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4369         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4370         compiling via C).  For example:</para>
4371
4372 <programlisting>
4373 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4374 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4375
4376       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4377         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4378         pragma(s).</para>
4379
4380       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4381         to the <option>-#include</option> option (<xref
4382           linkend="options-C-compiler" />), because the
4383         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4384         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4385         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4386         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4387     </sect2>
4388
4389     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4390       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4391
4392       <para>These pragmas control the inlining of function
4393       definitions.</para>
4394
4395       <sect3 id="inline-pragma">
4396         <title>INLINE pragma</title>
4397         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4398
4399         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4400         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4401         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4402         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4403         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4404         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4405         export that unfolding for other modules to use.</para>
4406
4407         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4408         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4409         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4410
4411 <programlisting>
4412 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4413
4414 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4415 {-# INLINE key_function #-}
4416 #endif
4417 </programlisting>
4418
4419         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4420         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4421         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4422
4423         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4424         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4425         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4426         inline it.</para>
4427
4428         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4429         function can be put anywhere its type signature could be
4430         put.</para>
4431
4432         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4433         good idea for the
4434         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4435         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4436         a monad.  For example, in GHC's own
4437         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4438
4439 <programlisting>
4440 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4441 {-# INLINE thenUs #-}
4442 {-# INLINE returnUs #-}
4443 #endif
4444 </programlisting>
4445
4446         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4447         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4448       </sect3>
4449
4450       <sect3 id="noinline-pragma">
4451         <title>NOINLINE pragma</title>
4452         
4453         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4454         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4455
4456         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4457         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4458         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4459         you're very cautious about code size.</para>
4460
4461         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4462         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4463         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4464         inlining, so it should be used if you want your code to be
4465         portable).</para>
4466       </sect3>
4467
4468       <sect3 id="phase-control">
4469         <title>Phase control</title>
4470
4471         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4472         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4473         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4474         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4475         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4476         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4477         sequence of phase numbers for successive runs of the
4478         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4479         phase number, thus:</para>
4480
4481         <itemizedlist>
4482           <listitem>
4483             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4484             and all subsequent phases":
4485 <programlisting>
4486   {-# INLINE [2] f #-}
4487 </programlisting>
4488             </para>
4489           </listitem>
4490
4491           <listitem>
4492             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4493             phases up to, but not including, Phase 3":
4494 <programlisting>
4495   {-# INLINE [~3] g #-}
4496 </programlisting>
4497             </para>
4498           </listitem>
4499
4500           <listitem>
4501             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4502             all phases".</para>
4503           </listitem>
4504         </itemizedlist>
4505
4506         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4507
4508         <itemizedlist>
4509           <listitem>
4510             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4511             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4512             there was no pragma at all":
4513 <programlisting>
4514   {-# NOINLINE [2] f #-}
4515 </programlisting>
4516             </para>
4517           </listitem>
4518
4519           <listitem>
4520             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4521             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4522             there was no pragma":
4523 <programlisting>
4524   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4525 </programlisting>
4526             </para>
4527           </listitem>
4528
4529           <listitem>
4530             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4531             inline this function".</para>
4532           </listitem>
4533         </itemizedlist>
4534
4535         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4536         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
4537       </sect3>
4538     </sect2>
4539
4540     <sect2 id="line-pragma">
4541       <title>LINE pragma</title>
4542
4543       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4544       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4545       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4546       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4547       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4548       original code; for example</para>
4549
4550 <programlisting>
4551 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
4552 </programlisting>
4553
4554       <para>if you'd generated the current file from something called
4555       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4556       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4557       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4558       pragma.</para>
4559     </sect2>
4560
4561     <sect2 id="options-pragma">
4562       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
4563       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
4564       </indexterm>
4565       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
4566       </indexterm>
4567
4568       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
4569       additional options that are given to the compiler when compiling
4570       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
4571       details.</para>
4572
4573       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
4574         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
4575     </sect2>
4576
4577     <sect2 id="rules">
4578       <title>RULES pragma</title>
4579
4580       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4581       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
4582     </sect2>
4583
4584     <sect2 id="specialize-pragma">
4585       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4586
4587       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4588       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4589       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4590
4591       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4592       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4593       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4594       overloaded function:</para>
4595
4596 <programlisting>
4597 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4598 </programlisting>
4599
4600       <para>If it is heavily used on lists with
4601       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4602       follows:</para>
4603
4604 <programlisting>
4605 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4606 </programlisting>
4607
4608       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4609       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4610
4611       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
4612       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
4613       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
4614       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
4615
4616       <para>In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
4617       specialised function for a given type:
4618
4619 <programlisting>
4620 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
4621 </programlisting>
4622
4623       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
4624       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
4625
4626     </sect2>
4627
4628 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4629 <title>SPECIALIZE instance pragma
4630 </title>
4631
4632 <para>
4633 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4634 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4635 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4636
4637 <programlisting>
4638 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4639    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4640    ... usual stuff ...
4641  }
4642 </programlisting>
4643 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4644 of the instance declaration.
4645 </para>
4646 <para>
4647 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4648 of the pragma.
4649 </para>
4650
4651 </sect2>
4652
4653     <sect2 id="unpack-pragma">
4654       <title>UNPACK pragma</title>
4655
4656       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4657       
4658       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4659       that it should unpack the contents of a constructor field into
4660       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4661       example:</para>
4662
4663 <programlisting>
4664 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4665            {-# UNPACK #-} !Float
4666 </programlisting>
4667
4668       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4669       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4670       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
4671       floats passed to a non-strict function for example, they will
4672       have to be reboxed (this is done automatically by the
4673       compiler).</para>
4674
4675       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4676       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4677       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4678       often as possible.  For example:</para>
4679
4680 <programlisting>
4681 f :: T -&#62; Float
4682 f (T f1 f2) = f1 + f2
4683 </programlisting>
4684
4685       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
4686       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
4687       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4688
4689       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
4690       example</para>
4691
4692 <programlisting>
4693 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
4694 </programlisting>
4695
4696       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
4697       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
4698       Multi-level unpacking is also supported:</para>
4699
4700 <programlisting>
4701 data T = T {-# UNPACK #-} !S
4702 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
4703 </programlisting>
4704
4705       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
4706       directly in the <function>T</function> constructor.  The
4707       unpacker can see through newtypes, too.</para>
4708
4709       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
4710       so it might be an idea to check the generated code with
4711       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
4712
4713       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
4714       which essentially has the effect of adding
4715       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
4716       constructor field.</para>
4717     </sect2>
4718
4719 </sect1>
4720
4721 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
4722
4723 <sect1 id="rewrite-rules">
4724 <title>Rewrite rules
4725
4726 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
4727 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
4728 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
4729
4730 <para>
4731 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
4732 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
4733 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
4734 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
4735 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
4736 </para>
4737
4738 <para>
4739 Here is an example:
4740
4741 <programlisting>
4742   {-# RULES
4743         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4744   #-}
4745 </programlisting>
4746
4747 </para>
4748
4749 <sect2>
4750 <title>Syntax</title>
4751
4752 <para>
4753 From a syntactic point of view:
4754
4755 <itemizedlist>
4756 <listitem>
4757
4758 <para>
4759  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
4760 </para>
4761 </listitem>
4762
4763 <listitem>
4764
4765 <para>
4766  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
4767 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
4768 </para>
4769 </listitem>
4770
4771 <listitem>
4772 <para>
4773 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
4774 immediately after the name of the rule.  Thus:
4775 <programlisting>
4776   {-# RULES
4777         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4778   #-}
4779 </programlisting>
4780 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
4781 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
4782 Phase 2.
4783 </para>
4784 </listitem>
4785
4786
4787 <listitem>
4788
4789 <para>
4790  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
4791 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
4792 enclosing definitions.
4793 </para>
4794 </listitem>
4795
4796 <listitem>
4797
4798 <para>
4799  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
4800 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
4801 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
4802 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
4803 </para>
4804 </listitem>
4805 <listitem>
4806
4807 <para>
4808  A pattern variable may optionally have a type signature.
4809 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
4810 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
4811
4812 <programlisting>
4813 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
4814               foldr k z (build g) = g k z
4815 </programlisting>
4816
4817 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
4818
4819 </para>
4820 </listitem>
4821 <listitem>
4822
4823 <para>
4824 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
4825 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
4826
4827 <programlisting>
4828 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
4829 "wrong2"   forall f.      f True = True
4830 </programlisting>
4831
4832 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
4833 in the head.
4834 </para>
4835 </listitem>
4836 <listitem>
4837
4838 <para>
4839  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
4840 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
4841 </para>
4842 </listitem>
4843 <listitem>
4844
4845 <para>
4846  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
4847 </para>
4848 </listitem>
4849
4850 </itemizedlist>
4851
4852 </para>
4853
4854 </sect2>
4855
4856 <sect2>
4857 <title>Semantics</title>
4858
4859 <para>
4860 From a semantic point of view:
4861
4862 <itemizedlist>
4863 <listitem>
4864
4865 <para>
4866 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
4867 </para>
4868 </listitem>
4869
4870 <listitem>
4871 <para>
4872  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
4873 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
4874 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
4875 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
4876 expression by substituting for the pattern variables.
4877
4878 </para>
4879 </listitem>
4880 <listitem>
4881
4882 <para>
4883  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
4884 same type.
4885
4886 </para>
4887 </listitem>
4888 <listitem>
4889
4890 <para>
4891  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
4892 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
4893 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
4894
4895 </para>
4896 </listitem>
4897 <listitem>
4898
4899 <para>
4900  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
4901 terminating.  For example:
4902
4903 <programlisting>
4904   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
4905 </programlisting>
4906
4907 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
4908
4909 </para>
4910 </listitem>
4911 <listitem>
4912
4913 <para>
4914  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
4915
4916 </para>
4917 </listitem>
4918 <listitem>
4919 <para>
4920  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
4921 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
4922 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
4923 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
4924 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
4925 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
4926 </para>
4927
4928 <para>
4929 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
4930 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
4931 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
4932 </para>
4933 </listitem>
4934 <listitem>
4935
4936 <para>
4937  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
4938 For example, consider:
4939
4940 <programlisting>
4941   let s = map f
4942       t = map g
4943   in
4944   s (t xs)
4945 </programlisting>
4946
4947 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
4948 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
4949 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
4950 not be substituted, and the rule would not fire.
4951
4952 </para>
4953 </listitem>
4954 <listitem>
4955
4956 <para>
4957  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
4958 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
4959 for something you can't match against it (given the simple minded
4960 matching).  So if you write the rule
4961
4962 <programlisting>
4963         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
4964 </programlisting>
4965
4966 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
4967 It will only match something written with explicit use of ".".
4968 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
4969
4970 <programlisting>
4971 wibble f g xs
4972 </programlisting>
4973
4974 where <function>wibble</function> is defined:
4975
4976 <programlisting>
4977 wibble f g = map f . map g
4978 </programlisting>
4979
4980 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
4981
4982 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
4983 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
4984 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
4985
4986 </para>
4987 </listitem>
4988 <listitem>
4989
4990 <para>
4991  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
4992 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
4993 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
4994 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
4995 declarations.
4996 </para>
4997 </listitem>
4998
4999 </itemizedlist>
5000
5001 </para>
5002
5003 </sect2>
5004
5005 <sect2>
5006 <title>List fusion</title>
5007
5008 <para>
5009 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5010 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5011 intermediate list should be eliminated entirely.
5012 </para>
5013
5014 <para>
5015 The following are good producers:
5016
5017 <itemizedlist>
5018 <listitem>
5019
5020 <para>
5021  List comprehensions
5022 </para>
5023 </listitem>
5024 <listitem>
5025
5026 <para>
5027  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5028 </para>
5029 </listitem>
5030 <listitem>
5031
5032 <para>
5033  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5034 </para>
5035 </listitem>
5036 <listitem>
5037
5038 <para>
5039  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5040 </para>
5041 </listitem>
5042 <listitem>
5043
5044 <para>
5045  <function>++</function>
5046 </para>
5047 </listitem>
5048
5049 <listitem>
5050 <para>
5051  <function>map</function>
5052 </para>
5053 </listitem>
5054
5055 <listitem>
5056 <para>
5057  <function>filter</function>
5058 </para>
5059 </listitem>
5060 <listitem>
5061
5062 <para>
5063  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5064 </para>
5065 </listitem>
5066 <listitem>
5067
5068 <para>
5069  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5070 </para>
5071 </listitem>
5072
5073 </itemizedlist>
5074
5075 </para>
5076
5077 <para>
5078 The following are good consumers:
5079
5080 <itemizedlist>
5081 <listitem>
5082
5083 <para>
5084  List comprehensions
5085 </para>
5086 </listitem>
5087 <listitem>
5088
5089 <para>
5090  <function>array</function> (on its second argument)
5091 </para>
5092 </listitem>
5093 <listitem>
5094
5095 <para>
5096  <function>length</function>
5097 </para>
5098 </listitem>
5099 <listitem>
5100
5101 <para>
5102  <function>++</function> (on its first argument)
5103 </para>
5104 </listitem>
5105
5106 <listitem>
5107 <para>
5108  <function>foldr</function>
5109 </para>
5110 </listitem>
5111
5112 <listitem>
5113 <para>
5114  <function>map</function>
5115 </para>
5116 </listitem>
5117 <listitem>
5118
5119 <para>
5120  <function>filter</function>
5121 </para>
5122 </listitem>
5123 <listitem>
5124
5125 <para>
5126  <function>concat</function>
5127 </para>
5128 </listitem>
5129 <listitem>
5130
5131 <para>
5132  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5133 </para>
5134 </listitem>
5135 <listitem>
5136
5137 <para>
5138  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5139 will fuse with one but not the other)
5140 </para>
5141 </listitem>
5142 <listitem>
5143
5144 <para>
5145  <function>partition</function>
5146 </para>
5147 </listitem>
5148 <listitem>
5149
5150 <para>
5151  <function>head</function>
5152 </para>
5153 </listitem>
5154 <listitem>
5155
5156 <para>
5157  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5158 </para>
5159 </listitem>
5160 <listitem>
5161
5162 <para>
5163  <function>sequence&lowbar;</function>
5164 </para>
5165 </listitem>
5166 <listitem>
5167
5168 <para>
5169  <function>msum</function>
5170 </para>
5171 </listitem>
5172 <listitem>
5173
5174 <para>
5175  <function>sortBy</function>
5176 </para>
5177 </listitem>
5178
5179 </itemizedlist>
5180
5181 </para>
5182
5183  <para>
5184 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5185
5186 <programlisting>
5187 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5188 </programlisting>
5189
5190 </para>
5191
5192 <para>
5193 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5194 a lot which are not included, please tell us.
5195 </para>
5196
5197 <para>
5198 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5199 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5200 </para>
5201
5202 </sect2>
5203
5204 <sect2 id="rule-spec">
5205 <title>Specialisation
5206 </title>
5207
5208 <para>
5209 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5210 present in earlier versions of GHC.
5211 For example, suppose that:
5212
5213 <programlisting>
5214 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5215 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5216 </programlisting>
5217
5218 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5219 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5220 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5221 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5222 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5223 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5224 It used to be possible to write
5225
5226 <programlisting>
5227 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5228 </programlisting>
5229
5230 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5231
5232 <programlisting>
5233 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5234 </programlisting>
5235
5236 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5237 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5238 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5239 What is more, this rule does not need to be in the same
5240 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5241 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5242 have an original definition available to specialise).
5243 </para>
5244
5245 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5246 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5247 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5248
5249 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5250 specialisation will Win Big:
5251
5252 <programlisting>
5253 toDouble :: Real a => a -> Double
5254 toDouble = fromRational . toRational
5255
5256 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5257 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5258 </programlisting>
5259
5260 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5261 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5262 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5263 comparison.
5264 </para>
5265
5266 </sect2>
5267
5268 <sect2>
5269 <title>Controlling what's going on</title>
5270
5271 <para>
5272
5273 <itemizedlist>
5274 <listitem>
5275
5276 <para>
5277  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5278 </para>
5279 </listitem>
5280 <listitem>
5281
5282 <para>
5283  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5284 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5285 </para>
5286 </listitem>
5287 <listitem>
5288
5289 <para>
5290  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5291
5292 <programlisting>
5293         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5294         {-# INLINE build #-}
5295         build g = g (:) []
5296 </programlisting>
5297
5298 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5299 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5300 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5301 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5302
5303 </para>
5304 </listitem>
5305 <listitem>
5306
5307 <para>
5308  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5309 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5310 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5311 </para>
5312 </listitem>
5313
5314 </itemizedlist>
5315
5316 </para>
5317
5318 </sect2>
5319
5320 <sect2 id="core-pragma">
5321   <title>CORE pragma</title>
5322
5323   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5324   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5325   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5326
5327 <para>
5328   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5329   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5330   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5331   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5332   literal as an argument.  The following function definition shows an
5333   example:
5334
5335 <programlisting>
5336 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5337 </programlisting>
5338
5339   Semantically, this is equivalent to:
5340
5341 <programlisting>
5342 g x = show x
5343 </programlisting>
5344 </para>
5345
5346 <para>
5347   However, when external for is generated (via
5348   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5349   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5350   The core function declaration for <function>f</function> is:
5351 </para>
5352
5353 <programlisting>
5354   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5355                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5356     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5357         (%note "foo"
5358          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5359            {GHCziShow.ZCDShow
5360             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5361                    a ->
5362                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5363 r)
5364             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5365             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5366                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5367 r) ->
5368               tpl2})
5369         (%note "foo"
5370          eta);
5371 </programlisting>
5372
5373 <para>
5374   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5375   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5376   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5377   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5378   <varname>x</varname>).
5379 </para>
5380
5381 </sect2>
5382
5383 </sect1>
5384
5385 <sect1 id="generic-classes">
5386 <title>Generic classes</title>
5387
5388     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5389     GHC 5.02).</para>
5390
5391 <para>
5392 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5393 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5394 An example will give the idea:
5395 </para>
5396
5397 <programlisting>
5398   import Generics
5399
5400   class Bin a where
5401     toBin   :: a -> [Int]
5402     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5403   
5404     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5405     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5406     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5407     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5408   
5409     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5410     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5411     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5412     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5413                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5414 </programlisting>
5415 <para>
5416 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5417 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5418 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5419 </para>
5420 <programlisting>
5421   data Unit    = Unit
5422   data a :+: b = Inl a | Inr b
5423   data a :*: b = a :*: b
5424 </programlisting>
5425 <para>
5426 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5427 <programlisting>
5428   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5429   instance Bin a => Bin [a]
5430 </programlisting>
5431 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5432 where clause and over-ride whichever methods you please.
5433 </para>
5434
5435     <sect2>
5436       <title> Using generics </title>
5437       <para>To use generics you need to</para>
5438       <itemizedlist>
5439         <listitem>
5440           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5441                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5442                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5443                 available.  </para>
5444         </listitem>
5445         <listitem>
5446           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5447           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5448           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5449           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5450           don't need this import if you don't mention these types
5451           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5452           declarations.)</para>
5453         </listitem>
5454       </itemizedlist>
5455     </sect2>
5456
5457 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5458 <para>
5459 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5460 can be written infix (indeed, you can now use
5461 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5462 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5463 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5464 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5465 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5466 anticipate wanting).
5467 </para>
5468 </sect2>
5469
5470 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5471 <para>
5472 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5473 is one that is defined using type patterns as above.
5474 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5475 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5476 generic default method.
5477 </para>
5478
5479 <para>
5480 Restrictions:
5481 <itemizedlist>
5482 <listitem>
5483 <para>
5484 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5485 field labels.
5486 </para>
5487 </listitem>
5488
5489 <listitem>
5490 <para>
5491 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5492 multi-parameter class.
5493 </para>
5494 </listitem>
5495
5496 <listitem>
5497 <para>
5498 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5499 without.  So this is illegal:
5500 <programlisting>
5501   class Foo a where
5502     op :: a -> (a, Bool)
5503     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5504     op x               = (x,    False)
5505 </programlisting>
5506 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5507 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5508 </para>
5509 </listitem>
5510
5511 <listitem>
5512 <para>
5513 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5514 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:
5515 <programlisting>
5516   class Foo a where
5517     op :: a -> Bool
5518     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5519     ...
5520 </programlisting>
5521 </para>
5522 </listitem>
5523
5524 <listitem>
5525 <para>
5526 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5527 <programlisting>
5528        a :+: b
5529        a :*: b
5530        Unit
5531 </programlisting>
5532 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5533 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5534 must use the same type variables.  So this is illegal:
5535 <programlisting>
5536   class Foo a where
5537     op :: a -> Bool
5538     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5539     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5540 </programlisting>
5541 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5542 So this too is illegal:
5543 <programlisting>
5544   class Foo a where
5545     op1 :: a -> Bool
5546     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5547
5548     op2 :: a -> Bool
5549     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5550 </programlisting>
5551 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5552 into a single generic instance declaration.)
5553 </para>
5554 </listitem>
5555
5556 <listitem>
5557 <para>
5558 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5559 </para>
5560 </listitem>
5561
5562 <listitem>
5563 <para>
5564 The type for a generic method can be built only from:
5565   <itemizedlist>
5566   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5567   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5568   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5569   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5570   </itemizedlist>
5571 Here are some example type signatures for generic methods:
5572 <programlisting>
5573     op1 :: a -> Bool
5574     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5575     op3 :: [Int] -> a -> a
5576     op4 :: [a] -> Bool
5577 </programlisting>
5578 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5579 inside a list.  
5580 </para>
5581 <para>
5582 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5583 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5584 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5585 to the ones that are allowed.</para>
5586 </listitem>
5587
5588 <listitem>
5589 <para>
5590 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5591 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5592 do so if
5593   <itemizedlist>
5594   <listitem>
5595   <para>
5596   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5597   </para>
5598   </listitem>
5599   <listitem>
5600   <para>
5601   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5602   </para>
5603   </listitem>
5604   </itemizedlist>
5605 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5606 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5607 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5608 </para>
5609 </listitem>
5610
5611 </itemizedlist>
5612 </para>
5613
5614 <para>
5615 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5616 what the compiler does with generic declarations.
5617 </para>
5618
5619 </sect2>
5620
5621 <sect2> <title> Another example </title>
5622 <para>
5623 Just to finish with, here's another example I rather like:
5624 <programlisting>
5625   class Tag a where
5626     nCons :: a -> Int
5627     nCons {| Unit |}    _ = 1
5628     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5629     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5630   
5631     tag :: a -> Int
5632     tag {| Unit |}    _       = 1
5633     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5634     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5635     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5636 </programlisting>
5637 </para>
5638 </sect2>
5639 </sect1>
5640
5641
5642
5643 <!-- Emacs stuff:
5644      ;;; Local Variables: ***
5645      ;;; mode: xml ***
5646      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
5647      ;;; End: ***
5648  -->
5649