Separate flags -XDeriveFunctor, -XDeriveFoldable, -XDeriveTraversable
[ghc-hetmet.git] / 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>The language option 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>Language options can be controlled in two ways:
46     <itemizedlist>
47       <listitem><para>Every language option can switched on by a command-line flag "<option>-X...</option>" 
48         (e.g. <option>-XTemplateHaskell</option>), and switched off by the flag "<option>-XNo...</option>"; 
49         (e.g. <option>-XNoTemplateHaskell</option>).</para></listitem>
50       <listitem><para>
51           Language options recognised by Cabal can also be enabled using the <literal>LANGUAGE</literal> pragma,
52           thus <literal>{-# LANGUAGE TemplateHaskell #-}</literal> (see <xref linkend="language-pragma"/>). </para>
53           </listitem>
54       </itemizedlist></para>
55
56     <para>The flag <option>-fglasgow-exts</option>
57           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
58           is equivalent to enabling the following extensions: 
59           <option>-XPrintExplicitForalls</option>,
60           <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
61           <option>-XUnliftedFFITypes</option>,
62           <option>-XGADTs</option>,
63           <option>-XImplicitParams</option>,
64           <option>-XScopedTypeVariables</option>,
65           <option>-XUnboxedTuples</option>,
66           <option>-XTypeSynonymInstances</option>,
67           <option>-XStandaloneDeriving</option>,
68           <option>-XDeriveDataTypeable</option>,
69           <option>-XFlexibleContexts</option>,
70           <option>-XFlexibleInstances</option>,
71           <option>-XConstrainedClassMethods</option>,
72           <option>-XMultiParamTypeClasses</option>,
73           <option>-XFunctionalDependencies</option>,
74           <option>-XMagicHash</option>,
75           <option>-XPolymorphicComponents</option>,
76           <option>-XExistentialQuantification</option>,
77           <option>-XUnicodeSyntax</option>,
78           <option>-XPostfixOperators</option>,
79           <option>-XPatternGuards</option>,
80           <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
81           <option>-XRankNTypes</option>,
82           <option>-XImpredicativeTypes</option>,
83           <option>-XTypeOperators</option>,
84           <option>-XRecursiveDo</option>,
85           <option>-XParallelListComp</option>,
86           <option>-XEmptyDataDecls</option>,
87           <option>-XKindSignatures</option>,
88           <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
89           <option>-XTypeFamilies</option>.
90             Enabling these options is the <emphasis>only</emphasis> 
91             effect of <option>-fglasgow-exts</option>.
92           We are trying to move away from this portmanteau flag, 
93           and towards enabling features individually.</para>
94
95   </sect1>
96
97 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
98 <sect1 id="primitives">
99   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
100
101 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations;
102 "primitive" in the sense that they cannot be defined in Haskell itself.
103 While you really can use this stuff to write fast code,
104   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
105   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
106   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
107   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
108   about it.</para>
109
110 <para>All these primitive data types and operations are exported by the 
111 library <literal>GHC.Prim</literal>, for which there is 
112 <ulink url="../libraries/base/GHC.Prim.html">detailed online documentation</ulink>.
113 (This documentation is generated from the file <filename>compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.)
114 </para>
115 <para>
116 If you want to mention any of the primitive data types or operations in your
117 program, you must first import <literal>GHC.Prim</literal> to bring them
118 into scope.  Many of them have names ending in "&num;", and to mention such
119 names you need the <option>-XMagicHash</option> extension (<xref linkend="magic-hash"/>).
120 </para>
121
122 <para>The primops make extensive use of <link linkend="glasgow-unboxed">unboxed types</link> 
123 and <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link>, which
124 we briefly summarise here. </para>
125   
126 <sect2 id="glasgow-unboxed">
127 <title>Unboxed types
128 </title>
129
130 <para>
131 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
132 </para>
133
134 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
135 that values of that type are represented by a pointer to a heap
136 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
137 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
138 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
139 allocation are involved.
140 </para>
141
142 <para>
143 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
144 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
145 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
146 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
147 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
148 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
149 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
150 know and love&mdash;usually one instruction.
151 </para>
152
153 <para>
154 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
155 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
156 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
157 bottom.  We use the convention (but it is only a convention) 
158 that primitive types, values, and
159 operations have a <literal>&num;</literal> suffix (see <xref linkend="magic-hash"/>).
160 For some primitive types we have special syntax for literals, also
161 described in the <link linkend="magic-hash">same section</link>.
162 </para>
163
164 <para>
165 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
166 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
167 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
168 a primitive value might be represented by a pointer to a
169 heap-allocated object.  Examples include
170 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
171 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
172 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
173 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
174 represents a primitive value, then it really does point to that value:
175 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
176 other end of the pointer than the primitive value.
177 A numerically-intensive program using unboxed types can
178 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
179 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
180 </para>
181
182 <para>
183 There are some restrictions on the use of primitive types:
184 <itemizedlist>
185 <listitem><para>The main restriction
186 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
187 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
188 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
189 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
190 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
191 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
192 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
193 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
194 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
195 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
196 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
197 </para>
198 </listitem>
199 <listitem><para> You cannot define a newtype whose representation type
200 (the argument type of the data constructor) is an unboxed type.  Thus,
201 this is illegal:
202 <programlisting>
203   newtype A = MkA Int#
204 </programlisting>
205 </para></listitem>
206 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
207 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
208 </para></listitem>
209 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
210 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
211 </para></listitem>
212 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
213 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
214 pattern-match
215 to become strict.  For example:
216 <programlisting>
217   data Foo = Foo Int Int#
218
219   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
220 </programlisting>
221 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
222 match
223 is strict, and the program behaves as if you had written
224 <programlisting>
225   data Foo = Foo Int Int#
226
227   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
228 </programlisting>
229 </para>
230 </listitem>
231 </itemizedlist>
232 </para>
233
234 </sect2>
235
236 <sect2 id="unboxed-tuples">
237 <title>Unboxed Tuples
238 </title>
239
240 <para>
241 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
242 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
243 unboxed tuple looks like this:
244 </para>
245
246 <para>
247
248 <programlisting>
249 (# e_1, ..., e_n #)
250 </programlisting>
251
252 </para>
253
254 <para>
255 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
256 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
257 the same.
258 </para>
259
260 <para>
261 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
262 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
263 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
264 components are put directly into registers or on the stack; the
265 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
266 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
267 tuples.
268 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
269 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
270 </para>
271
272 <para>
273 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
274 <itemizedlist>
275 <listitem>
276
277 <para>
278 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
279 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
280 structures or passed to polymorphic functions.
281
282 </para>
283 </listitem>
284 <listitem>
285
286 <para>
287 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
288 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
289
290
291 <programlisting>
292   data Foo = Foo (# Int, Int #)
293
294   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
295   f x = x
296
297   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
298   g (# a,b #) = a
299
300   h x = let y = (# x,x #) in ...
301 </programlisting>
302 </para>
303 </listitem>
304 </itemizedlist>
305 </para>
306 <para>
307 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
308 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
309 <programlisting>
310   f x y = (# x+1, y-1 #)
311   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
312 </programlisting>
313 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
314 <programlisting>
315   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
316 </programlisting>
317 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
318 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
319 above example desugars like this:
320 <programlisting>
321   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
322             p = fst t
323             q = snd t
324         in ..body..
325 </programlisting>
326 Indeed, the bindings can even be recursive.
327 </para>
328
329 </sect2>
330 </sect1>
331
332
333 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
334
335 <sect1 id="syntax-extns">
336 <title>Syntactic extensions</title>
337  
338     <sect2 id="unicode-syntax">
339       <title>Unicode syntax</title>
340       <para>The language
341       extension <option>-XUnicodeSyntax</option><indexterm><primary><option>-XUnicodeSyntax</option></primary></indexterm>
342       enables Unicode characters to be used to stand for certain ASCII
343       character sequences.  The following alternatives are provided:</para>
344
345       <informaltable>
346         <tgroup cols="2" align="left" colsep="1" rowsep="1">
347           <thead>
348             <row>
349               <entry>ASCII</entry>
350               <entry>Unicode alternative</entry>
351               <entry>Code point</entry>
352               <entry>Name</entry>
353             </row>
354           </thead>
355           <tbody>
356             <row>
357               <entry><literal>::</literal></entry>
358               <entry>::</entry> <!-- no special char, apparently -->
359               <entry>0x2237</entry>
360               <entry>PROPORTION</entry>
361             </row>
362           </tbody>
363           <tbody>
364             <row>
365               <entry><literal>=&gt;</literal></entry>
366               <entry>&rArr;</entry>
367               <entry>0x21D2</entry>
368               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW</entry>
369             </row>
370           </tbody>
371           <tbody>
372             <row>
373               <entry><literal>forall</literal></entry>
374               <entry>&forall;</entry>
375               <entry>0x2200</entry>
376               <entry>FOR ALL</entry>
377             </row>
378           </tbody>
379           <tbody>
380             <row>
381               <entry><literal>-&gt;</literal></entry>
382               <entry>&rarr;</entry>
383               <entry>0x2192</entry>
384               <entry>RIGHTWARDS ARROW</entry>
385             </row>
386           </tbody>
387           <tbody>
388             <row>
389               <entry><literal>&lt;-</literal></entry>
390               <entry>&larr;</entry>
391               <entry>0x2190</entry>
392               <entry>LEFTWARDS ARROW</entry>
393             </row>
394           </tbody>
395           <tbody>
396             <row>
397               <entry>..</entry>
398               <entry>&hellip;</entry>
399               <entry>0x22EF</entry>
400               <entry>MIDLINE HORIZONTAL ELLIPSIS</entry>
401             </row>
402           </tbody>
403         </tgroup>
404       </informaltable>
405     </sect2>
406
407     <sect2 id="magic-hash">
408       <title>The magic hash</title>
409       <para>The language extension <option>-XMagicHash</option> allows "&num;" as a
410         postfix modifier to identifiers.  Thus, "x&num;" is a valid variable, and "T&num;" is
411         a valid type constructor or data constructor.</para>
412
413       <para>The hash sign does not change sematics at all.  We tend to use variable
414         names ending in "&num;" for unboxed values or types (e.g. <literal>Int&num;</literal>), 
415         but there is no requirement to do so; they are just plain ordinary variables.
416         Nor does the <option>-XMagicHash</option> extension bring anything into scope.
417         For example, to bring <literal>Int&num;</literal> into scope you must 
418         import <literal>GHC.Prim</literal> (see <xref linkend="primitives"/>); 
419         the <option>-XMagicHash</option> extension
420         then allows you to <emphasis>refer</emphasis> to the <literal>Int&num;</literal>
421         that is now in scope.</para>
422       <para> The <option>-XMagicHash</option> also enables some new forms of literals (see <xref linkend="glasgow-unboxed"/>):
423         <itemizedlist> 
424           <listitem><para> <literal>'x'&num;</literal> has type <literal>Char&num;</literal></para> </listitem>
425           <listitem><para> <literal>&quot;foo&quot;&num;</literal> has type <literal>Addr&num;</literal></para> </listitem>
426           <listitem><para> <literal>3&num;</literal> has type <literal>Int&num;</literal>. In general,
427           any Haskell 98 integer lexeme followed by a <literal>&num;</literal> is an <literal>Int&num;</literal> literal, e.g.
428             <literal>-0x3A&num;</literal> as well as <literal>32&num;</literal></para>.</listitem>
429           <listitem><para> <literal>3&num;&num;</literal> has type <literal>Word&num;</literal>. In general,
430           any non-negative Haskell 98 integer lexeme followed by <literal>&num;&num;</literal> 
431               is a <literal>Word&num;</literal>. </para> </listitem>
432           <listitem><para> <literal>3.2&num;</literal> has type <literal>Float&num;</literal>.</para> </listitem>
433           <listitem><para> <literal>3.2&num;&num;</literal> has type <literal>Double&num;</literal></para> </listitem>
434           </itemizedlist>
435       </para>
436    </sect2>
437
438     <sect2 id="new-qualified-operators">
439       <title>New qualified operator syntax</title>
440
441       <para>A new syntax for referencing qualified operators is
442         planned to be introduced by Haskell', and is enabled in GHC
443         with
444         the <option>-XNewQualifiedOperators</option><indexterm><primary><option>-XNewQualifiedOperators</option></primary></indexterm>
445         option.  In the new syntax, the prefix form of a qualified
446         operator is
447         written <literal><replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>
448         (in Haskell 98 this would
449         be <literal>(<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>),
450         and the infix form is
451         written <literal>`<replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)`</literal>
452         (in Haskell 98 this would
453         be <literal>`<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>`</literal>.
454         For example:
455 <programlisting>
456   add x y = Prelude.(+) x y
457   subtract y = (`Prelude.(-)` y)
458 </programlisting>
459         The new form of qualified operators is intended to regularise
460         the syntax by eliminating odd cases
461         like <literal>Prelude..</literal>.  For example,
462         when <literal>NewQualifiedOperators</literal> is on, it is possible to
463         write the enumerated sequence <literal>[Monday..]</literal>
464         without spaces, whereas in Haskell 98 this would be a
465         reference to the operator &lsquo;<literal>.</literal>&lsquo;
466         from module <literal>Monday</literal>.</para>
467
468       <para>When <option>-XNewQualifiedOperators</option> is on, the old Haskell
469         98 syntax for qualified operators is not accepted, so this
470         option may cause existing Haskell 98 code to break.</para>
471
472     </sect2>
473         
474
475     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
476
477
478     <sect2 id="hierarchical-modules">
479       <title>Hierarchical Modules</title>
480
481       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
482       names: a module name is allowed to contain a dot
483       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
484       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
485       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
486       more flexible hierarchy of modules.</para>
487
488       <para>This extension has very little impact on the language
489       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
490       qualified, so you can just think of the fully qualified module
491       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
492       means that the full module name must be given after the
493       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
494       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
495       begin</para>
496
497 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
498
499
500       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
501       keyword to save some typing when using qualified names with
502       hierarchical modules.  For example:</para>
503
504 <programlisting>
505 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
506 </programlisting>
507
508       <para>For details on how GHC searches for source and interface
509       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
510       linkend="search-path"/>.</para>
511
512       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
513       hierarchically; see the accompanying <ulink
514       url="../libraries/index.html">library
515       documentation</ulink>.  More libraries to install are available
516       from <ulink
517       url="http://hackage.haskell.org/packages/hackage.html">HackageDB</ulink>.</para>
518     </sect2>
519
520     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
521
522 <sect2 id="pattern-guards">
523 <title>Pattern guards</title>
524
525 <para>
526 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
527 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.)
528 </para>
529
530 <para>
531 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
532 lookup operation:
533
534 <programlisting>
535 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
536 </programlisting>
537
538 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
539 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
540 </para>
541
542 <programlisting>
543 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
544 | otherwise  = var1 + var2
545 where
546   m1 = lookup env var1
547   m2 = lookup env var2
548   ok1 = maybeToBool m1
549   ok2 = maybeToBool m2
550   val1 = expectJust m1
551   val2 = expectJust m2
552 </programlisting>
553
554 <para>
555 The auxiliary functions are 
556 </para>
557
558 <programlisting>
559 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
560 maybeToBool (Just x) = True
561 maybeToBool Nothing  = False
562
563 expectJust :: Maybe a -&gt; a
564 expectJust (Just x) = x
565 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
566 </programlisting>
567
568 <para>
569 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
570 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
571 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
572 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
573 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
574 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
575 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
576 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
577 </para>
578
579 <para>
580 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
581 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
582 to write clunky would be to use case expressions:
583 </para>
584
585 <programlisting>
586 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
587   Nothing -&gt; fail
588   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
589     Nothing -&gt; fail
590     Just val2 -&gt; val1 + val2
591 where
592   fail = var1 + var2
593 </programlisting>
594
595 <para>
596 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
597 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
598 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
599 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
600 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
601 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
602 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
603 tends to become more and more indented. 
604 </para>
605
606 <para>
607 Here is how I would write clunky:
608 </para>
609
610 <programlisting>
611 clunky env var1 var2
612   | Just val1 &lt;- lookup env var1
613   , Just val2 &lt;- lookup env var2
614   = val1 + val2
615 ...other equations for clunky...
616 </programlisting>
617
618 <para>
619 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
620 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
621 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
622 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
623 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
624 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
625 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
626 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
627 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
628 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
629 </para>
630
631 <para>
632 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
633 with among the pattern guards.  For example:
634 </para>
635
636 <programlisting>
637 f x | [y] &lt;- x
638     , y > 3
639     , Just z &lt;- h y
640     = ...
641 </programlisting>
642
643 <para>
644 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
645 qualifier list has just one element, a boolean expression.
646 </para>
647 </sect2>
648
649     <!-- ===================== View patterns ===================  -->
650
651 <sect2 id="view-patterns">
652 <title>View patterns
653 </title>
654
655 <para>
656 View patterns are enabled by the flag <literal>-XViewPatterns</literal>.
657 More information and examples of view patterns can be found on the
658 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/ViewPatterns">Wiki
659 page</ulink>.
660 </para>
661
662 <para>
663 View patterns are somewhat like pattern guards that can be nested inside
664 of other patterns.  They are a convenient way of pattern-matching
665 against values of abstract types. For example, in a programming language
666 implementation, we might represent the syntax of the types of the
667 language as follows:
668
669 <programlisting>
670 type Typ
671  
672 data TypView = Unit
673              | Arrow Typ Typ
674
675 view :: Type -> TypeView
676
677 -- additional operations for constructing Typ's ...
678 </programlisting>
679
680 The representation of Typ is held abstract, permitting implementations
681 to use a fancy representation (e.g., hash-consing to manage sharing).
682
683 Without view patterns, using this signature a little inconvenient: 
684 <programlisting>
685 size :: Typ -> Integer
686 size t = case view t of
687   Unit -> 1
688   Arrow t1 t2 -> size t1 + size t2
689 </programlisting>
690
691 It is necessary to iterate the case, rather than using an equational
692 function definition. And the situation is even worse when the matching
693 against <literal>t</literal> is buried deep inside another pattern.
694 </para>
695
696 <para>
697 View patterns permit calling the view function inside the pattern and
698 matching against the result: 
699 <programlisting>
700 size (view -> Unit) = 1
701 size (view -> Arrow t1 t2) = size t1 + size t2
702 </programlisting>
703
704 That is, we add a new form of pattern, written
705 <replaceable>expression</replaceable> <literal>-></literal>
706 <replaceable>pattern</replaceable> that means "apply the expression to
707 whatever we're trying to match against, and then match the result of
708 that application against the pattern". The expression can be any Haskell
709 expression of function type, and view patterns can be used wherever
710 patterns are used.
711 </para>
712
713 <para>
714 The semantics of a pattern <literal>(</literal>
715 <replaceable>exp</replaceable> <literal>-></literal>
716 <replaceable>pat</replaceable> <literal>)</literal> are as follows:
717
718 <itemizedlist>
719
720 <listitem> Scoping:
721
722 <para>The variables bound by the view pattern are the variables bound by
723 <replaceable>pat</replaceable>.
724 </para>
725
726 <para>
727 Any variables in <replaceable>exp</replaceable> are bound occurrences,
728 but variables bound "to the left" in a pattern are in scope.  This
729 feature permits, for example, one argument to a function to be used in
730 the view of another argument.  For example, the function
731 <literal>clunky</literal> from <xref linkend="pattern-guards" /> can be
732 written using view patterns as follows:
733
734 <programlisting>
735 clunky env (lookup env -> Just val1) (lookup env -> Just val2) = val1 + val2
736 ...other equations for clunky...
737 </programlisting>
738 </para>
739
740 <para>
741 More precisely, the scoping rules are: 
742 <itemizedlist>
743 <listitem>
744 <para>
745 In a single pattern, variables bound by patterns to the left of a view
746 pattern expression are in scope. For example:
747 <programlisting>
748 example :: Maybe ((String -> Integer,Integer), String) -> Bool
749 example Just ((f,_), f -> 4) = True
750 </programlisting>
751
752 Additionally, in function definitions, variables bound by matching earlier curried
753 arguments may be used in view pattern expressions in later arguments:
754 <programlisting>
755 example :: (String -> Integer) -> String -> Bool
756 example f (f -> 4) = True
757 </programlisting>
758 That is, the scoping is the same as it would be if the curried arguments
759 were collected into a tuple.  
760 </para>
761 </listitem>
762
763 <listitem>
764 <para>
765 In mutually recursive bindings, such as <literal>let</literal>,
766 <literal>where</literal>, or the top level, view patterns in one
767 declaration may not mention variables bound by other declarations.  That
768 is, each declaration must be self-contained.  For example, the following
769 program is not allowed:
770 <programlisting>
771 let {(x -> y) = e1 ;
772      (y -> x) = e2 } in x
773 </programlisting>
774
775 (We may lift this
776 restriction in the future; the only cost is that type checking patterns
777 would get a little more complicated.)  
778
779
780 </para>
781 </listitem>
782 </itemizedlist>
783
784 </para>
785 </listitem>
786
787 <listitem><para> Typing: If <replaceable>exp</replaceable> has type
788 <replaceable>T1</replaceable> <literal>-></literal>
789 <replaceable>T2</replaceable> and <replaceable>pat</replaceable> matches
790 a <replaceable>T2</replaceable>, then the whole view pattern matches a
791 <replaceable>T1</replaceable>.
792 </para></listitem>
793
794 <listitem><para> Matching: To the equations in Section 3.17.3 of the
795 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/">Haskell 98
796 Report</ulink>, add the following:
797 <programlisting>
798 case v of { (e -> p) -> e1 ; _ -> e2 } 
799  = 
800 case (e v) of { p -> e1 ; _ -> e2 }
801 </programlisting>
802 That is, to match a variable <replaceable>v</replaceable> against a pattern
803 <literal>(</literal> <replaceable>exp</replaceable>
804 <literal>-></literal> <replaceable>pat</replaceable>
805 <literal>)</literal>, evaluate <literal>(</literal>
806 <replaceable>exp</replaceable> <replaceable> v</replaceable>
807 <literal>)</literal> and match the result against
808 <replaceable>pat</replaceable>.  
809 </para></listitem>
810
811 <listitem><para> Efficiency: When the same view function is applied in
812 multiple branches of a function definition or a case expression (e.g.,
813 in <literal>size</literal> above), GHC makes an attempt to collect these
814 applications into a single nested case expression, so that the view
815 function is only applied once.  Pattern compilation in GHC follows the
816 matrix algorithm described in Chapter 4 of <ulink
817 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/slpj-book-1987/">The
818 Implementation of Functional Programming Languages</ulink>.  When the
819 top rows of the first column of a matrix are all view patterns with the
820 "same" expression, these patterns are transformed into a single nested
821 case.  This includes, for example, adjacent view patterns that line up
822 in a tuple, as in
823 <programlisting>
824 f ((view -> A, p1), p2) = e1
825 f ((view -> B, p3), p4) = e2
826 </programlisting>
827 </para>
828
829 <para> The current notion of when two view pattern expressions are "the
830 same" is very restricted: it is not even full syntactic equality.
831 However, it does include variables, literals, applications, and tuples;
832 e.g., two instances of <literal>view ("hi", "there")</literal> will be
833 collected.  However, the current implementation does not compare up to
834 alpha-equivalence, so two instances of <literal>(x, view x ->
835 y)</literal> will not be coalesced.
836 </para>
837
838 </listitem>
839
840 </itemizedlist>
841 </para>
842
843 </sect2>
844
845     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
846
847 <sect2 id="mdo-notation">
848 <title>The recursive do-notation
849 </title>
850
851 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
852 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>,
853 by Levent Erkok, John Launchbury,
854 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
855 This paper is essential reading for anyone making non-trivial use of mdo-notation,
856 and we do not repeat it here.
857 </para>
858 <para>
859 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
860 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
861 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
862 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
863 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
864 </para>
865 <para>
866 Here is a simple (yet contrived) example:
867 </para>
868 <programlisting>
869 import Control.Monad.Fix
870
871 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
872                return xs
873 </programlisting>
874 <para>
875 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
876 </para>
877
878 <para>
879 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
880 </para>
881 <programlisting>
882 class Monad m => MonadFix m where
883    mfix :: (a -> m a) -> m a
884 </programlisting>
885 <para>
886 The function <literal>mfix</literal>
887 dictates how the required recursion operation should be performed.  For example, 
888 <literal>justOnes</literal> desugars as follows:
889 <programlisting>
890 justOnes = mfix (\xs' -&gt; do { xs &lt;- Just (1:xs'); return xs }
891 </programlisting>
892 For full details of the way in which mdo is typechecked and desugared, see 
893 the paper <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>.
894 In particular, GHC implements the segmentation technique described in Section 3.2 of the paper.
895 </para>
896 <para>
897 If recursive bindings are required for a monad,
898 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
899 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
900 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
901 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
902 </para>
903 <para>
904 Here are some important points in using the recursive-do notation:
905 <itemizedlist>
906 <listitem><para>
907 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
908 than <literal>do</literal>).
909 </para></listitem>
910
911 <listitem><para>
912 It is enabled with the flag <literal>-XRecursiveDo</literal>, which is in turn implied by
913 <literal>-fglasgow-exts</literal>.
914 </para></listitem>
915
916 <listitem><para>
917 Unlike ordinary do-notation, but like <literal>let</literal> and <literal>where</literal> bindings,
918 name shadowing is not allowed; that is, all the names bound in a single <literal>mdo</literal> must
919 be distinct (Section 3.3 of the paper).
920 </para></listitem>
921
922 <listitem><para>
923 Variables bound by a <literal>let</literal> statement in an <literal>mdo</literal>
924 are monomorphic in the <literal>mdo</literal> (Section 3.1 of the paper).  However
925 GHC breaks the <literal>mdo</literal> into segments to enhance polymorphism,
926 and improve termination (Section 3.2 of the paper).
927 </para></listitem>
928 </itemizedlist>
929 </para>
930
931 <para>
932 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
933 of the existing documents) used the name
934 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
935 This name is not supported by GHC.
936 </para>
937
938 </sect2>
939
940
941    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
942
943   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
944     <title>Parallel List Comprehensions</title>
945     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
946     </indexterm>
947     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
948     </indexterm>
949
950     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
951     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
952     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
953     extend this to include the zipWith family.</para>
954
955     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
956     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
957     example, the following zips together two lists:</para>
958
959 <programlisting>
960    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
961 </programlisting>
962
963     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
964     zip, in that the resulting list will have the same length as the
965     shortest branch.</para>
966
967     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
968     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
969
970     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
971
972 <programlisting>
973    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
974        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
975        ... 
976    ] 
977 </programlisting>
978
979     <para>This will be translated to: </para>
980
981 <programlisting>
982    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
983                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
984                                          ... 
985    ] 
986 </programlisting>
987
988     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
989     branches.</para>
990
991   </sect2>
992   
993   <!-- ===================== TRANSFORM LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
994
995   <sect2 id="generalised-list-comprehensions">
996     <title>Generalised (SQL-Like) List Comprehensions</title>
997     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>generalised</secondary>
998     </indexterm>
999     <indexterm><primary>extended list comprehensions</primary>
1000     </indexterm>
1001     <indexterm><primary>group</primary></indexterm>
1002     <indexterm><primary>sql</primary></indexterm>
1003
1004
1005     <para>Generalised list comprehensions are a further enhancement to the
1006     list comprehension syntatic sugar to allow operations such as sorting
1007     and grouping which are familiar from SQL.   They are fully described in the
1008         paper <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/list-comp">
1009           Comprehensive comprehensions: comprehensions with "order by" and "group by"</ulink>,
1010     except that the syntax we use differs slightly from the paper.</para>
1011 <para>Here is an example: 
1012 <programlisting>
1013 employees = [ ("Simon", "MS", 80)
1014 , ("Erik", "MS", 100)
1015 , ("Phil", "Ed", 40)
1016 , ("Gordon", "Ed", 45)
1017 , ("Paul", "Yale", 60)]
1018
1019 output = [ (the dept, sum salary)
1020 | (name, dept, salary) &lt;- employees
1021 , then group by dept
1022 , then sortWith by (sum salary)
1023 , then take 5 ]
1024 </programlisting>
1025 In this example, the list <literal>output</literal> would take on 
1026     the value:
1027     
1028 <programlisting>
1029 [("Yale", 60), ("Ed", 85), ("MS", 180)]
1030 </programlisting>
1031 </para>
1032 <para>There are three new keywords: <literal>group</literal>, <literal>by</literal>, and <literal>using</literal>.
1033 (The function <literal>sortWith</literal> is not a keyword; it is an ordinary
1034 function that is exported by <literal>GHC.Exts</literal>.)</para>
1035
1036 <para>There are five new forms of comprehension qualifier,
1037 all introduced by the (existing) keyword <literal>then</literal>:
1038     <itemizedlist>
1039     <listitem>
1040     
1041 <programlisting>
1042 then f
1043 </programlisting>
1044
1045     This statement requires that <literal>f</literal> have the type <literal>
1046     forall a. [a] -> [a]</literal>. You can see an example of it's use in the
1047     motivating example, as this form is used to apply <literal>take 5</literal>.
1048     
1049     </listitem>
1050     
1051     
1052     <listitem>
1053 <para>
1054 <programlisting>
1055 then f by e
1056 </programlisting>
1057
1058     This form is similar to the previous one, but allows you to create a function
1059     which will be passed as the first argument to f. As a consequence f must have 
1060     the type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [a]</literal>. As you can see
1061     from the type, this function lets f &quot;project out&quot; some information 
1062     from the elements of the list it is transforming.</para>
1063
1064     <para>An example is shown in the opening example, where <literal>sortWith</literal> 
1065     is supplied with a function that lets it find out the <literal>sum salary</literal> 
1066     for any item in the list comprehension it transforms.</para>
1067
1068     </listitem>
1069
1070
1071     <listitem>
1072
1073 <programlisting>
1074 then group by e using f
1075 </programlisting>
1076
1077     <para>This is the most general of the grouping-type statements. In this form,
1078     f is required to have type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [[a]]</literal>.
1079     As with the <literal>then f by e</literal> case above, the first argument
1080     is a function supplied to f by the compiler which lets it compute e on every
1081     element of the list being transformed. However, unlike the non-grouping case,
1082     f additionally partitions the list into a number of sublists: this means that
1083     at every point after this statement, binders occurring before it in the comprehension
1084     refer to <emphasis>lists</emphasis> of possible values, not single values. To help understand
1085     this, let's look at an example:</para>
1086     
1087 <programlisting>
1088 -- This works similarly to groupWith in GHC.Exts, but doesn't sort its input first
1089 groupRuns :: Eq b => (a -> b) -> [a] -> [[a]]
1090 groupRuns f = groupBy (\x y -> f x == f y)
1091
1092 output = [ (the x, y)
1093 | x &lt;- ([1..3] ++ [1..2])
1094 , y &lt;- [4..6]
1095 , then group by x using groupRuns ]
1096 </programlisting>
1097
1098     <para>This results in the variable <literal>output</literal> taking on the value below:</para>
1099
1100 <programlisting>
1101 [(1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6]), (3, [4, 5, 6]), (1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6])]
1102 </programlisting>
1103
1104     <para>Note that we have used the <literal>the</literal> function to change the type 
1105     of x from a list to its original numeric type. The variable y, in contrast, is left 
1106     unchanged from the list form introduced by the grouping.</para>
1107
1108     </listitem>
1109
1110     <listitem>
1111
1112 <programlisting>
1113 then group by e
1114 </programlisting>
1115
1116     <para>This form of grouping is essentially the same as the one described above. However,
1117     since no function to use for the grouping has been supplied it will fall back on the
1118     <literal>groupWith</literal> function defined in 
1119     <ulink url="../libraries/base/GHC-Exts.html"><literal>GHC.Exts</literal></ulink>. This
1120     is the form of the group statement that we made use of in the opening example.</para>
1121
1122     </listitem>
1123     
1124     
1125     <listitem>
1126
1127 <programlisting>
1128 then group using f
1129 </programlisting>
1130
1131     <para>With this form of the group statement, f is required to simply have the type
1132     <literal>forall a. [a] -> [[a]]</literal>, which will be used to group up the
1133     comprehension so far directly. An example of this form is as follows:</para>
1134     
1135 <programlisting>
1136 output = [ x
1137 | y &lt;- [1..5]
1138 , x &lt;- "hello"
1139 , then group using inits]
1140 </programlisting>
1141
1142     <para>This will yield a list containing every prefix of the word "hello" written out 5 times:</para>
1143
1144 <programlisting>
1145 ["","h","he","hel","hell","hello","helloh","hellohe","hellohel","hellohell","hellohello","hellohelloh",...]
1146 </programlisting>
1147
1148     </listitem>
1149 </itemizedlist>
1150 </para>
1151   </sect2>
1152
1153    <!-- ===================== REBINDABLE SYNTAX ===================  -->
1154
1155 <sect2 id="rebindable-syntax">
1156 <title>Rebindable syntax and the implicit Prelude import</title>
1157
1158  <para><indexterm><primary>-XNoImplicitPrelude
1159  option</primary></indexterm> GHC normally imports
1160  <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
1161  rather it didn't, then give it a
1162  <option>-XNoImplicitPrelude</option> option.  The idea is
1163  that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
1164  call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
1165  namespace is flat, and you must not conflict with any
1166  Prelude module.)</para>
1167
1168             <para>Suppose you are importing a Prelude of your own
1169               in order to define your own numeric class
1170             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
1171             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
1172             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
1173             So the <option>-XNoImplicitPrelude</option> 
1174               flag <emphasis>also</emphasis> causes
1175             the following pieces of built-in syntax to refer to
1176             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
1177             versions:
1178             <itemizedlist>
1179               <listitem>
1180                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
1181                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
1182                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
1183 </para> </listitem>         
1184
1185       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
1186           except that the translation is 
1187               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
1188 </para> </listitem>         
1189
1190           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
1191               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
1192 </para> </listitem>         
1193
1194           <listitem><para>The subtraction operation, and the
1195           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
1196               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
1197               </para></listitem>
1198
1199               <listitem>
1200                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
1201                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
1202                 patterns, and expressions.
1203               </para></listitem>
1204
1205               <listitem>
1206           <para>"Do" notation is translated using whatever
1207               functions <literal>(>>=)</literal>,
1208               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
1209               are in scope (not the Prelude
1210               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
1211               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
1212
1213               <listitem>
1214                 <para>Arrow
1215                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
1216                 uses whatever <literal>arr</literal>,
1217                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
1218                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
1219                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
1220                 other constructs, the types of these functions must match the
1221                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
1222                 to use this, ask!
1223               </para></listitem>
1224             </itemizedlist>
1225 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
1226 even if that is a little unexpected. For example, the 
1227 static semantics of the literal <literal>368</literal>
1228 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
1229 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
1230 <programlisting>
1231 fromInteger :: Integer -> Integer
1232 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
1233 fromInteger :: Num a => a -> Integer
1234 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
1235 </programlisting>
1236 </para>
1237                 
1238              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
1239              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
1240              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
1241              you should be all right.</para>
1242
1243 </sect2>
1244
1245 <sect2 id="postfix-operators">
1246 <title>Postfix operators</title>
1247
1248 <para>
1249   The <option>-XPostfixOperators</option> flag enables a small
1250 extension to the syntax of left operator sections, which allows you to
1251 define postfix operators.  The extension is this: the left section
1252 <programlisting>
1253   (e !)
1254 </programlisting>
1255 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
1256 <programlisting>
1257   ((!) e)
1258 </programlisting>
1259 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
1260 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
1261 <programlisting>
1262   (\y -> (!) e y)
1263 </programlisting>
1264 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
1265 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
1266 postfix.
1267 </para>
1268 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
1269 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
1270
1271 </sect2>
1272
1273 <sect2 id="disambiguate-fields">
1274 <title>Record field disambiguation</title>
1275 <para>
1276 In record construction and record pattern matching
1277 it is entirely unambiguous which field is referred to, even if there are two different
1278 data types in scope with a common field name.  For example:
1279 <programlisting>
1280 module M where
1281   data S = MkS { x :: Int, y :: Bool }
1282
1283 module Foo where
1284   import M
1285
1286   data T = MkT { x :: Int }
1287   
1288   ok1 (MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1289
1290   ok2 n = MkT { x = n+1 }     -- Unambiguous
1291
1292   bad1 k = k { x = 3 }  -- Ambiguous
1293   bad2 k = x k          -- Ambiguous
1294 </programlisting>
1295 Even though there are two <literal>x</literal>'s in scope,
1296 it is clear that the <literal>x</literal> in the pattern in the
1297 definition of <literal>ok1</literal> can only mean the field
1298 <literal>x</literal> from type <literal>S</literal>. Similarly for
1299 the function <literal>ok2</literal>.  However, in the record update
1300 in <literal>bad1</literal> and the record selection in <literal>bad2</literal>
1301 it is not clear which of the two types is intended.
1302 </para>
1303 <para>
1304 Haskell 98 regards all four as ambiguous, but with the
1305 <option>-XDisambiguateRecordFields</option> flag, GHC will accept
1306 the former two.  The rules are precisely the same as those for instance
1307 declarations in Haskell 98, where the method names on the left-hand side 
1308 of the method bindings in an instance declaration refer unambiguously
1309 to the method of that class (provided they are in scope at all), even
1310 if there are other variables in scope with the same name.
1311 This reduces the clutter of qualified names when you import two
1312 records from different modules that use the same field name.
1313 </para>
1314 </sect2>
1315
1316     <!-- ===================== Record puns ===================  -->
1317
1318 <sect2 id="record-puns">
1319 <title>Record puns
1320 </title>
1321
1322 <para>
1323 Record puns are enabled by the flag <literal>-XNamedFieldPuns</literal>.
1324 </para>
1325
1326 <para>
1327 When using records, it is common to write a pattern that binds a
1328 variable with the same name as a record field, such as:
1329
1330 <programlisting>
1331 data C = C {a :: Int}
1332 f (C {a = a}) = a
1333 </programlisting>
1334 </para>
1335
1336 <para>
1337 Record punning permits the variable name to be elided, so one can simply
1338 write
1339
1340 <programlisting>
1341 f (C {a}) = a
1342 </programlisting>
1343
1344 to mean the same pattern as above.  That is, in a record pattern, the
1345 pattern <literal>a</literal> expands into the pattern <literal>a =
1346 a</literal> for the same name <literal>a</literal>.  
1347 </para>
1348
1349 <para>
1350 Note that puns and other patterns can be mixed in the same record:
1351 <programlisting>
1352 data C = C {a :: Int, b :: Int}
1353 f (C {a, b = 4}) = a
1354 </programlisting>
1355 and that puns can be used wherever record patterns occur (e.g. in
1356 <literal>let</literal> bindings or at the top-level).  
1357 </para>
1358
1359 <para>
1360 Record punning can also be used in an expression, writing, for example,
1361 <programlisting>
1362 let a = 1 in C {a}
1363 </programlisting>
1364 instead of 
1365 <programlisting>
1366 let a = 1 in C {a = a}
1367 </programlisting>
1368
1369 Note that this expansion is purely syntactic, so the record pun
1370 expression refers to the nearest enclosing variable that is spelled the
1371 same as the field name.
1372 </para>
1373
1374 </sect2>
1375
1376     <!-- ===================== Record wildcards ===================  -->
1377
1378 <sect2 id="record-wildcards">
1379 <title>Record wildcards
1380 </title>
1381
1382 <para>
1383 Record wildcards are enabled by the flag <literal>-XRecordWildCards</literal>.
1384 </para>
1385
1386 <para>
1387 For records with many fields, it can be tiresome to write out each field
1388 individually in a record pattern, as in
1389 <programlisting>
1390 data C = C {a :: Int, b :: Int, c :: Int, d :: Int}
1391 f (C {a = 1, b = b, c = c, d = d}) = b + c + d
1392 </programlisting>
1393 </para>
1394
1395 <para>
1396 Record wildcard syntax permits a (<literal>..</literal>) in a record
1397 pattern, where each elided field <literal>f</literal> is replaced by the
1398 pattern <literal>f = f</literal>.  For example, the above pattern can be
1399 written as
1400 <programlisting>
1401 f (C {a = 1, ..}) = b + c + d
1402 </programlisting>
1403 </para>
1404
1405 <para>
1406 Note that wildcards can be mixed with other patterns, including puns
1407 (<xref linkend="record-puns"/>); for example, in a pattern <literal>C {a
1408 = 1, b, ..})</literal>.  Additionally, record wildcards can be used
1409 wherever record patterns occur, including in <literal>let</literal>
1410 bindings and at the top-level.  For example, the top-level binding
1411 <programlisting>
1412 C {a = 1, ..} = e
1413 </programlisting>
1414 defines <literal>b</literal>, <literal>c</literal>, and
1415 <literal>d</literal>.
1416 </para>
1417
1418 <para>
1419 Record wildcards can also be used in expressions, writing, for example,
1420
1421 <programlisting>
1422 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {..}
1423 </programlisting>
1424
1425 in place of
1426
1427 <programlisting>
1428 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {a=a, b=b, c=c, d=d}
1429 </programlisting>
1430
1431 Note that this expansion is purely syntactic, so the record wildcard
1432 expression refers to the nearest enclosing variables that are spelled
1433 the same as the omitted field names.
1434 </para>
1435
1436 </sect2>
1437
1438     <!-- ===================== Local fixity declarations ===================  -->
1439
1440 <sect2 id="local-fixity-declarations">
1441 <title>Local Fixity Declarations
1442 </title>
1443
1444 <para>A careful reading of the Haskell 98 Report reveals that fixity
1445 declarations (<literal>infix</literal>, <literal>infixl</literal>, and
1446 <literal>infixr</literal>) are permitted to appear inside local bindings
1447 such those introduced by <literal>let</literal> and
1448 <literal>where</literal>.  However, the Haskell Report does not specify
1449 the semantics of such bindings very precisely.
1450 </para>
1451
1452 <para>In GHC, a fixity declaration may accompany a local binding:
1453 <programlisting>
1454 let f = ...
1455     infixr 3 `f`
1456 in 
1457     ...
1458 </programlisting>
1459 and the fixity declaration applies wherever the binding is in scope.
1460 For example, in a <literal>let</literal>, it applies in the right-hand
1461 sides of other <literal>let</literal>-bindings and the body of the
1462 <literal>let</literal>C. Or, in recursive <literal>do</literal>
1463 expressions (<xref linkend="mdo-notation"/>), the local fixity
1464 declarations of a <literal>let</literal> statement scope over other
1465 statements in the group, just as the bound name does.
1466 </para>
1467
1468 <para>
1469 Moreover, a local fixity declaration *must* accompany a local binding of
1470 that name: it is not possible to revise the fixity of name bound
1471 elsewhere, as in
1472 <programlisting>
1473 let infixr 9 $ in ...
1474 </programlisting>
1475
1476 Because local fixity declarations are technically Haskell 98, no flag is
1477 necessary to enable them.
1478 </para>
1479 </sect2>
1480
1481 <sect2 id="package-imports">
1482   <title>Package-qualified imports</title>
1483
1484   <para>With the <option>-XPackageImports</option> flag, GHC allows
1485   import declarations to be qualified by the package name that the
1486     module is intended to be imported from.  For example:</para>
1487
1488 <programlisting>
1489 import "network" Network.Socket
1490 </programlisting>
1491   
1492   <para>would import the module <literal>Network.Socket</literal> from
1493     the package <literal>network</literal> (any version).  This may
1494     be used to disambiguate an import when the same module is
1495     available from multiple packages, or is present in both the
1496     current package being built and an external package.</para>
1497
1498   <para>Note: you probably don't need to use this feature, it was
1499     added mainly so that we can build backwards-compatible versions of
1500     packages when APIs change.  It can lead to fragile dependencies in
1501     the common case: modules occasionally move from one package to
1502     another, rendering any package-qualified imports broken.</para>
1503 </sect2>
1504
1505 <sect2 id="syntax-stolen">
1506 <title>Summary of stolen syntax</title>
1507
1508     <para>Turning on an option that enables special syntax
1509     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
1510     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
1511     become a reserved word.  This section lists the syntax that is
1512     "stolen" by language extensions.
1513      We use
1514     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
1515     (see the Haskell 98 Report).  
1516     We only list syntax changes here that might affect
1517     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
1518     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
1519     cases programs written to use the new syntax would not be
1520     compilable without the option enabled.</para>
1521
1522 <para>There are two classes of special
1523     syntax:
1524
1525     <itemizedlist>
1526       <listitem>
1527         <para>New reserved words and symbols: character sequences
1528         which are no longer available for use as identifiers in the
1529         program.</para>
1530       </listitem>
1531       <listitem>
1532         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
1533         a different meaning when this particular option is turned
1534         on.</para>
1535       </listitem>
1536     </itemizedlist>
1537     
1538 The following syntax is stolen:
1539
1540     <variablelist>
1541       <varlistentry>
1542         <term>
1543           <literal>forall</literal>
1544           <indexterm><primary><literal>forall</literal></primary></indexterm>
1545         </term>
1546         <listitem><para>
1547         Stolen (in types) by: <option>-XScopedTypeVariables</option>,
1548             <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
1549             <option>-XRank2Types</option>,
1550             <option>-XRankNTypes</option>,
1551             <option>-XPolymorphicComponents</option>,
1552             <option>-XExistentialQuantification</option>
1553           </para></listitem>
1554       </varlistentry>
1555
1556       <varlistentry>
1557         <term>
1558           <literal>mdo</literal>
1559           <indexterm><primary><literal>mdo</literal></primary></indexterm>
1560         </term>
1561         <listitem><para>
1562         Stolen by: <option>-XRecursiveDo</option>,
1563           </para></listitem>
1564       </varlistentry>
1565
1566       <varlistentry>
1567         <term>
1568           <literal>foreign</literal>
1569           <indexterm><primary><literal>foreign</literal></primary></indexterm>
1570         </term>
1571         <listitem><para>
1572         Stolen by: <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
1573           </para></listitem>
1574       </varlistentry>
1575
1576       <varlistentry>
1577         <term>
1578           <literal>rec</literal>,
1579           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
1580           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
1581           <literal>&gt;&gt;-</literal>, and <literal>(|</literal>,
1582           <literal>|)</literal> brackets
1583           <indexterm><primary><literal>proc</literal></primary></indexterm>
1584         </term>
1585         <listitem><para>
1586         Stolen by: <option>-XArrows</option>,
1587           </para></listitem>
1588       </varlistentry>
1589
1590       <varlistentry>
1591         <term>
1592           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
1593           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>
1594           <indexterm><primary>implicit parameters</primary></indexterm>
1595         </term>
1596         <listitem><para>
1597         Stolen by: <option>-XImplicitParams</option>,
1598           </para></listitem>
1599       </varlistentry>
1600
1601       <varlistentry>
1602         <term>
1603           <literal>[|</literal>,
1604           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
1605           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
1606           <literal>$(</literal>,
1607           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>
1608           <indexterm><primary>Template Haskell</primary></indexterm>
1609         </term>
1610         <listitem><para>
1611         Stolen by: <option>-XTemplateHaskell</option>,
1612           </para></listitem>
1613       </varlistentry>
1614
1615       <varlistentry>
1616         <term>
1617           <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>|</literal>
1618           <indexterm><primary>quasi-quotation</primary></indexterm>
1619         </term>
1620         <listitem><para>
1621         Stolen by: <option>-XQuasiQuotes</option>,
1622           </para></listitem>
1623       </varlistentry>
1624
1625       <varlistentry>
1626         <term>
1627               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
1628               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
1629               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1630               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1631               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1632               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
1633               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
1634         </term>
1635         <listitem><para>
1636         Stolen by: <option>-XMagicHash</option>,
1637           </para></listitem>
1638       </varlistentry>
1639     </variablelist>
1640 </para>
1641 </sect2>
1642 </sect1>
1643
1644
1645 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
1646 <sect1 id="data-type-extensions">
1647 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
1648
1649 <sect2 id="nullary-types">
1650 <title>Data types with no constructors</title>
1651
1652 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
1653 a data type with no constructors.  For example:</para>
1654
1655 <programlisting>
1656   data S      -- S :: *
1657   data T a    -- T :: * -> *
1658 </programlisting>
1659
1660 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
1661 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
1662 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
1663 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
1664
1665 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
1666 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
1667 </sect2>
1668
1669 <sect2 id="infix-tycons">
1670 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
1671
1672 <para>
1673 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
1674 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
1675 <itemizedlist>
1676 <listitem><para>
1677   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
1678   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
1679   </para></listitem>
1680 <listitem><para>
1681   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
1682   if you want further arguments.  E.g.
1683 <screen>
1684   data a :*: b = Foo a b
1685   type a :+: b = Either a b
1686   class a :=: b where ...
1687
1688   data (a :**: b) x = Baz a b x
1689   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
1690 </screen>
1691   </para></listitem>
1692 <listitem><para>
1693   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
1694   <screen>
1695         x :: Int :*: Bool
1696         f :: (a :=: b) => a -> b
1697   </screen>
1698   </para></listitem>
1699 <listitem><para>
1700   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1701   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1702   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1703   parenthesised.  For example:
1704 <programlisting>
1705    type T (+) = Int + Int
1706    f :: T Either
1707    f = Left 3
1708  
1709    liftA2 :: Arrow (~>)
1710           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1711    liftA2 = ...
1712 </programlisting>
1713   </para></listitem>
1714 <listitem><para>
1715   Back-quotes work
1716   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1717   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1718   </para></listitem>
1719 <listitem><para>
1720   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1721   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1722   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1723 <screen>
1724   infixl 7 T, :*:
1725 </screen>
1726   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1727   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1728   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1729   </para></listitem>
1730 <listitem><para>
1731   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1732   </para></listitem>
1733
1734 </itemizedlist>
1735 </para>
1736 </sect2>
1737
1738 <sect2 id="type-synonyms">
1739 <title>Liberalised type synonyms</title>
1740
1741 <para>
1742 Type synonyms are like macros at the type level, but Haskell 98 imposes many rules
1743 on individual synonym declarations.
1744 With the <option>-XLiberalTypeSynonyms</option> extension,
1745 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1746 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98. 
1747
1748 <itemizedlist>
1749 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1750 in a type synonym, thus:
1751 <programlisting>
1752   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1753
1754   f :: Discard a
1755   f x y = (x, show y)
1756
1757   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1758   g f = f 3 True
1759 </programlisting>
1760 </para>
1761 </listitem>
1762
1763 <listitem><para>
1764 If you also use <option>-XUnboxedTuples</option>, 
1765 you can write an unboxed tuple in a type synonym:
1766 <programlisting>
1767   type Pr = (# Int, Int #)
1768
1769   h :: Int -> Pr
1770   h x = (# x, x #)
1771 </programlisting>
1772 </para></listitem>
1773
1774 <listitem><para>
1775 You can apply a type synonym to a forall type:
1776 <programlisting>
1777   type Foo a = a -> a -> Bool
1778  
1779   f :: Foo (forall b. b->b)
1780 </programlisting>
1781 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1782 <programlisting>
1783   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1784 </programlisting>
1785 </para></listitem>
1786
1787 <listitem><para>
1788 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1789 <programlisting>
1790   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1791   type Id x = x
1792   
1793   foo :: Generic Id []
1794 </programlisting>
1795 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1796 <programlisting>
1797   foo :: forall x. x -> [x]
1798 </programlisting>
1799 </para></listitem>
1800
1801 </itemizedlist>
1802 </para>
1803
1804 <para>
1805 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1806 could be changed.)
1807 </para>
1808 <para>
1809 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1810 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1811 <itemizedlist>
1812 <listitem><para>
1813 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1814 </para></listitem>
1815 <listitem><para>
1816 Unboxed tuple on left of an arrow.
1817 </para></listitem>
1818 <listitem><para>
1819 Partially-applied type synonym.
1820 </para></listitem>
1821 </itemizedlist>
1822 So, for example,
1823 this will be rejected:
1824 <programlisting>
1825   type Pr = (# Int, Int #)
1826
1827   h :: Pr -> Int
1828   h x = ...
1829 </programlisting>
1830 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1831 </para>
1832 </sect2>
1833
1834
1835 <sect2 id="existential-quantification">
1836 <title>Existentially quantified data constructors
1837 </title>
1838
1839 <para>
1840 The idea of using existential quantification in data type declarations
1841 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1842 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1843 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1844 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1845 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1846 It's been in Lennart
1847 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1848 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1849 </para>
1850
1851 <para>
1852
1853 <programlisting>
1854   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1855            | Nil
1856 </programlisting>
1857
1858 </para>
1859
1860 <para>
1861 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1862 </para>
1863
1864 <para>
1865
1866 <programlisting>
1867   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1868   Nil   :: Foo
1869 </programlisting>
1870
1871 </para>
1872
1873 <para>
1874 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1875 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1876 For example, the following expression is fine:
1877 </para>
1878
1879 <para>
1880
1881 <programlisting>
1882   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1883 </programlisting>
1884
1885 </para>
1886
1887 <para>
1888 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1889 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1890 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1891 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1892 </para>
1893
1894 <para>
1895 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1896 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1897 </para>
1898
1899 <para>
1900
1901 <programlisting>
1902   f (MkFoo val fn) = ???
1903 </programlisting>
1904
1905 </para>
1906
1907 <para>
1908 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1909 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1910 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1911 </para>
1912
1913 <para>
1914
1915 <programlisting>
1916   f :: Foo -> Bool
1917   f (MkFoo val fn) = fn val
1918 </programlisting>
1919
1920 </para>
1921
1922 <para>
1923 What this allows us to do is to package heterogeneous values
1924 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1925 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1926 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1927 </para>
1928
1929 <sect3 id="existential">
1930 <title>Why existential?
1931 </title>
1932
1933 <para>
1934 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1935 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1936 </para>
1937
1938 <para>
1939
1940 <programlisting>
1941   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1942 </programlisting>
1943
1944 </para>
1945
1946 <para>
1947 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1948 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1949 adding a new existential quantification construct.
1950 </para>
1951
1952 </sect3>
1953
1954 <sect3 id="existential-with-context">
1955 <title>Existentials and type classes</title>
1956
1957 <para>
1958 An easy extension is to allow
1959 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1960 </para>
1961
1962 <para>
1963
1964 <programlisting>
1965 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1966          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1967 </programlisting>
1968
1969 </para>
1970
1971 <para>
1972 The two constructors have the types you'd expect:
1973 </para>
1974
1975 <para>
1976
1977 <programlisting>
1978 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1979 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1980 </programlisting>
1981
1982 </para>
1983
1984 <para>
1985 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1986 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1987 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1988 So this program is legal:
1989 </para>
1990
1991 <para>
1992
1993 <programlisting>
1994   f :: Baz -> String
1995   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1996                | otherwise = "No"
1997   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1998 </programlisting>
1999
2000 </para>
2001
2002 <para>
2003 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2004 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2005 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2006 extract it on pattern matching.
2007 </para>
2008
2009 </sect3>
2010
2011 <sect3 id="existential-records">
2012 <title>Record Constructors</title>
2013
2014 <para>
2015 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
2016
2017 <programlisting>
2018 data Counter a = forall self. NewCounter
2019     { _this    :: self
2020     , _inc     :: self -> self
2021     , _display :: self -> IO ()
2022     , tag      :: a
2023     }
2024 </programlisting>
2025 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
2026 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
2027 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
2028 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
2029 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
2030 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
2031 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
2032 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
2033 </para>
2034
2035 <para>
2036 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
2037
2038 <programlisting>
2039 inc :: Counter a -> Counter a
2040 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
2041     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
2042
2043 display :: Counter a -> IO ()
2044 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
2045 </programlisting>
2046
2047 Now we can define counters with different underlying implementations:
2048
2049 <programlisting>
2050 counterA :: Counter String 
2051 counterA = NewCounter
2052     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
2053
2054 counterB :: Counter String 
2055 counterB = NewCounter
2056     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
2057
2058 main = do
2059     display (inc counterA)         -- prints "1"
2060     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
2061 </programlisting>
2062
2063 Record update syntax is supported for existentials (and GADTs):
2064 <programlisting>
2065 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
2066 setTag obj t = obj{ tag = t }
2067 </programlisting>
2068 The rule for record update is this: <emphasis>
2069 the types of the updated fields may
2070 mention only the universally-quantified type variables
2071 of the data constructor.  For GADTs, the field may mention only types
2072 that appear as a simple type-variable argument in the constructor's result
2073 type</emphasis>.  For example:
2074 <programlisting>
2075 data T a b where { T1 { f1::a, f2::b, f3::(b,c) } :: T a b } -- c is existential
2076 upd1 t x = t { f1=x }   -- OK:   upd1 :: T a b -> a' -> T a' b
2077 upd2 t x = t { f3=x }   -- BAD   (f3's type mentions c, which is
2078                         --        existentially quantified)
2079
2080 data G a b where { G1 { g1::a, g2::c } :: G a [c] }
2081 upd3 g x = g { g1=x }   -- OK:   upd3 :: G a b -> c -> G c b
2082 upd4 g x = g { g2=x }   -- BAD (f2's type mentions c, which is not a simple
2083                         --      type-variable argument in G1's result type)
2084 </programlisting>
2085 </para>
2086
2087 </sect3>
2088
2089
2090 <sect3>
2091 <title>Restrictions</title>
2092
2093 <para>
2094 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2095 constructors can be use.
2096 </para>
2097
2098 <para>
2099
2100 <itemizedlist>
2101 <listitem>
2102
2103 <para>
2104  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2105 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2106 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2107 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2108
2109
2110 <programlisting>
2111 f1 (MkFoo a f) = a
2112 </programlisting>
2113
2114
2115 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2116 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2117 ask what type <function>f1</function> has:
2118
2119
2120 <programlisting>
2121   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2122 </programlisting>
2123
2124
2125 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2126 this:
2127
2128
2129 <programlisting>
2130   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2131 </programlisting>
2132
2133
2134 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2135
2136
2137 <programlisting>
2138   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2139 </programlisting>
2140
2141
2142 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2143 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2144 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2145
2146
2147 </para>
2148 </listitem>
2149 <listitem>
2150
2151 <para>
2152 You can't pattern-match on an existentially quantified
2153 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2154 bindings. So this is illegal:
2155
2156
2157 <programlisting>
2158   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2159 </programlisting>
2160
2161 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2162
2163 <programlisting>
2164   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2165 </programlisting>
2166
2167 In general, you can only pattern-match
2168 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2169 in the patterns of a function definition.
2170
2171 The reason for this restriction is really an implementation one.
2172 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2173 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2174 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2175 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2176 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2177 annoying it is.
2178
2179 </para>
2180 </listitem>
2181 <listitem>
2182
2183 <para>
2184 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2185 declarations.  So this is illegal:
2186
2187
2188 <programlisting>
2189   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2190 </programlisting>
2191
2192
2193 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
2194 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
2195 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
2196 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
2197 You can get just the same efficiency and effect by using
2198 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
2199 there is no overloading involved, then there is more of a case for
2200 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
2201 because the <literal>data</literal> version does carry an
2202 implementation cost, but single-field existentially quantified
2203 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
2204 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
2205 are convincing reasons to change it.
2206
2207
2208 </para>
2209 </listitem>
2210 <listitem>
2211
2212 <para>
2213  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2214 data type with existentially quantified data constructors.
2215
2216 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
2217
2218 <programlisting>
2219 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2220 </programlisting>
2221
2222 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2223 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2224
2225 <programlisting>
2226 instance Eq T where
2227   (MkT a) == (MkT b) = ???
2228 </programlisting>
2229
2230 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
2231 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2232 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2233 declarations.  Define your own instances!
2234 </para>
2235 </listitem>
2236
2237 </itemizedlist>
2238
2239 </para>
2240
2241 </sect3>
2242 </sect2>
2243
2244 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
2245
2246 <sect2 id="gadt-style">
2247 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
2248
2249 <para>GHC allows you to declare an algebraic data type by 
2250 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
2251 <programlisting>
2252   data Maybe a where
2253       Nothing :: Maybe a
2254       Just    :: a -> Maybe a
2255 </programlisting>
2256 The form is called a "GADT-style declaration"
2257 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
2258 can only be declared using this form.</para>
2259 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
2260 For example, these two declarations are equivalent:
2261 <programlisting>
2262   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2263   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
2264 </programlisting>
2265 </para>
2266 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
2267 can also be declared using GADT-style syntax.
2268 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
2269 they treat class constraints on the data constructors differently.
2270 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
2271 context is made available by pattern matching.  For example:
2272 <programlisting>
2273   data Set a where
2274     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
2275
2276   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
2277   makeSet xs = MkSet (nub xs)
2278
2279   insert :: a -> Set a -> Set a
2280   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
2281                       | otherwise   = MkSet (a:as)
2282 </programlisting>
2283 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
2284 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
2285 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
2286 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
2287 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
2288 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
2289 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
2290 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
2291 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
2292 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
2293 </para>
2294 <para>
2295 For example, one possible application is to reify dictionaries:
2296 <programlisting>
2297    data NumInst a where
2298      MkNumInst :: Num a => NumInst a
2299
2300    intInst :: NumInst Int
2301    intInst = MkNumInst
2302
2303    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
2304    plus MkNumInst p q = p + q
2305 </programlisting>
2306 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
2307 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
2308 </para>
2309 <para>
2310 All this applies to constructors declared using the syntax of <xref linkend="existential-with-context"/>.
2311 For example, the <literal>NumInst</literal> data type above could equivalently be declared 
2312 like this:
2313 <programlisting>
2314    data NumInst a 
2315       = Num a => MkNumInst (NumInst a)
2316 </programlisting>
2317 Notice that, unlike the situation when declaring an existential, there is 
2318 no <literal>forall</literal>, because the <literal>Num</literal> constrains the
2319 data type's universally quantified type variable <literal>a</literal>.  
2320 A constructor may have both universal and existential type variables: for example,
2321 the following two declarations are equivalent:
2322 <programlisting>
2323    data T1 a 
2324         = forall b. (Num a, Eq b) => MkT1 a b
2325    data T2 a where
2326         MkT2 :: (Num a, Eq b) => a -> b -> T2 a
2327 </programlisting>
2328 </para>
2329 <para>All this behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treatment of 
2330 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
2331 In Haskell 98 the definition
2332 <programlisting>
2333   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
2334 </programlisting>
2335 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
2336 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
2337 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
2338 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
2339 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.
2340 </para>
2341
2342 <para>
2343 The rest of this section gives further details about GADT-style data
2344 type declarations.
2345
2346 <itemizedlist>
2347 <listitem><para>
2348 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
2349 If the result type of all constructors 
2350 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
2351 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
2352 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
2353 </para></listitem>
2354
2355 <listitem><para>
2356 The type signature of
2357 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
2358 Different constructors may have different universally-quantified type variables
2359 and different type-class constraints.  
2360 For example, this is fine:
2361 <programlisting>
2362   data T a where
2363     T1 :: Eq b => b -> T b
2364     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
2365 </programlisting>
2366 </para></listitem>
2367
2368 <listitem><para>
2369 Unlike a Haskell-98-style 
2370 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
2371 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
2372 <programlisting>
2373   data Set :: * -> * where ...
2374 </programlisting>
2375 or even a mixture of the two:
2376 <programlisting>
2377   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
2378 </programlisting>
2379 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
2380 like this:
2381 <programlisting>
2382   data Foo a (b :: * -> *) where ...
2383 </programlisting>
2384 </para></listitem>
2385
2386
2387 <listitem><para>
2388 You can use strictness annotations, in the obvious places
2389 in the constructor type:
2390 <programlisting>
2391   data Term a where
2392       Lit    :: !Int -> Term Int
2393       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
2394       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2395 </programlisting>
2396 </para></listitem>
2397
2398 <listitem><para>
2399 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
2400 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
2401 <programlisting>
2402   data Maybe1 a where {
2403       Nothing1 :: Maybe1 a ;
2404       Just1    :: a -> Maybe1 a
2405     } deriving( Eq, Ord )
2406
2407   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
2408        deriving( Eq, Ord )
2409 </programlisting>
2410 </para></listitem>
2411
2412 <listitem><para>
2413 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
2414
2415 <programlisting>
2416   data Person where
2417       Adult { name :: String, children :: [Person] } :: Person
2418       Child { name :: String } :: Person
2419 </programlisting>
2420 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
2421 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
2422 </para>
2423 <para>
2424 At the moment, record updates are not yet possible with GADT-style declarations, 
2425 so support is limited to record construction, selection and pattern matching.
2426 For example
2427 <programlisting>
2428   aPerson = Adult { name = "Fred", children = [] }
2429
2430   shortName :: Person -> Bool
2431   hasChildren (Adult { children = kids }) = not (null kids)
2432   hasChildren (Child {})                  = False
2433 </programlisting>
2434 </para></listitem>
2435
2436 <listitem><para> 
2437 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
2438 (<xref linkend="existential-records"/>),
2439 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
2440 selectors.  
2441 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
2442 <programlisting>
2443 data Counter a where
2444     NewCounter { _this    :: self
2445                , _inc     :: self -> self
2446                , _display :: self -> IO ()
2447                , tag      :: a
2448                }
2449         :: Counter a
2450 </programlisting>
2451 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
2452 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
2453 </para></listitem>
2454 </itemizedlist></para>
2455 </sect2>
2456
2457 <sect2 id="gadt">
2458 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
2459
2460 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
2461 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
2462 <programlisting>
2463   data Term a where
2464       Lit    :: Int -> Term Int
2465       Succ   :: Term Int -> Term Int
2466       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
2467       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
2468       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2469 </programlisting>
2470 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
2471 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
2472 write a well-typed <literal>eval</literal> function
2473 for these <literal>Terms</literal>:
2474 <programlisting>
2475   eval :: Term a -> a
2476   eval (Lit i)      = i
2477   eval (Succ t)     = 1 + eval t
2478   eval (IsZero t)   = eval t == 0
2479   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
2480   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
2481 </programlisting>
2482 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
2483 For example, in the right hand side of the equation
2484 <programlisting>
2485   eval :: Term a -> a
2486   eval (Lit i) =  ...
2487 </programlisting>
2488 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
2489 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
2490 but the design closely follows that described in
2491 the paper <ulink
2492 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/">Simple
2493 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
2494 (ICFP 2006).
2495 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
2496 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
2497 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
2498 and lots of obscure error messages will
2499 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
2500 <programlisting>
2501   eval :: Term a -> a -> a
2502   eval (Lit i) j =  i+j
2503 </programlisting>
2504 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
2505 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
2506 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
2507 </para>
2508 <para>
2509 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
2510 Tim Sheard. There is a longer introduction
2511 <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
2512 and Ralf Hinze's
2513 <ulink url="http://www.informatik.uni-bonn.de/~ralf/publications/With.pdf">Fun with phantom types</ulink> also has a number of examples. Note that papers
2514 may use different notation to that implemented in GHC.
2515 </para>
2516 <para>
2517 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs.   The extension is enabled with 
2518 <option>-XGADTs</option>.  The <option>-XGADTs</option> flag also sets <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
2519 <itemizedlist>
2520 <listitem><para>
2521 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
2522 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
2523 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
2524 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
2525 For example, in the <literal>Term</literal> data
2526 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
2527 the <literal>ty</literal> need not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
2528 constructor).
2529 </para></listitem>
2530
2531 <listitem><para>
2532 It's is permitted to declare an ordinary algebraic data type using GADT-style syntax.
2533 What makes a GADT into a GADT is not the syntax, but rather the presence of data constructors
2534 whose result type is not just <literal>T a b</literal>.
2535 </para></listitem>
2536
2537 <listitem><para>
2538 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
2539 an ordinary data type.
2540 </para></listitem>
2541
2542 <listitem><para>
2543 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
2544 For example:
2545 <programlisting>
2546   data Term a where
2547       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
2548       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
2549       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
2550       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
2551       Pair   { arg1 :: Term a
2552              , arg2 :: Term b
2553              }                    :: Term (a,b)
2554       If     { cnd  :: Term Bool
2555              , tru  :: Term a
2556              , fls  :: Term a
2557              }                    :: Term a
2558 </programlisting>
2559 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
2560 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
2561 the same result type (modulo alpha conversion)
2562 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
2563 and <literal>arg</literal> fields above into a 
2564 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
2565 their selector functions actually have different types:
2566
2567 <programlisting>
2568   num :: Term Int -> Term Int
2569   arg :: Term Bool -> Term Int
2570 </programlisting>
2571 </para></listitem>
2572
2573 <listitem><para>
2574 When pattern-matching against data constructors drawn from a GADT, 
2575 for example in a <literal>case</literal> expression, the following rules apply:
2576 <itemizedlist>
2577 <listitem><para>The type of the scrutinee must be rigid.</para></listitem>
2578 <listitem><para>The type of the entire <literal>case</literal> expression must be rigid.</para></listitem>
2579 <listitem><para>The type of any free variable mentioned in any of
2580 the <literal>case</literal> alternatives must be rigid.</para></listitem>
2581 </itemizedlist>
2582 A type is "rigid" if it is completely known to the compiler at its binding site.  The easiest
2583 way to ensure that a variable a rigid type is to give it a type signature.
2584 For more precise details see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt">
2585 Simple unification-based type inference for GADTs
2586 </ulink>. The criteria implemented by GHC are given in the Appendix.
2587
2588 </para></listitem>
2589
2590 </itemizedlist>
2591 </para>
2592
2593 </sect2>
2594 </sect1>
2595
2596 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
2597
2598 <sect1 id="deriving">
2599 <title>Extensions to the "deriving" mechanism</title>
2600
2601 <sect2 id="deriving-inferred">
2602 <title>Inferred context for deriving clauses</title>
2603
2604 <para>
2605 The Haskell Report is vague about exactly when a <literal>deriving</literal> clause is
2606 legal.  For example:
2607 <programlisting>
2608   data T0 f a = MkT0 a         deriving( Eq )
2609   data T1 f a = MkT1 (f a)     deriving( Eq )
2610   data T2 f a = MkT2 (f (f a)) deriving( Eq )
2611 </programlisting>
2612 The natural generated <literal>Eq</literal> code would result in these instance declarations:
2613 <programlisting>
2614   instance Eq a         => Eq (T0 f a) where ...
2615   instance Eq (f a)     => Eq (T1 f a) where ...
2616   instance Eq (f (f a)) => Eq (T2 f a) where ...
2617 </programlisting>
2618 The first of these is obviously fine. The second is still fine, although less obviously. 
2619 The third is not Haskell 98, and risks losing termination of instances.
2620 </para>
2621 <para>
2622 GHC takes a conservative position: it accepts the first two, but not the third.  The  rule is this:
2623 each constraint in the inferred instance context must consist only of type variables, 
2624 with no repetitions.
2625 </para>
2626 <para>
2627 This rule is applied regardless of flags.  If you want a more exotic context, you can write
2628 it yourself, using the <link linkend="stand-alone-deriving">standalone deriving mechanism</link>.
2629 </para>
2630 </sect2>
2631
2632 <sect2 id="stand-alone-deriving">
2633 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
2634
2635 <para>
2636 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-XStandaloneDeriving</literal>:
2637 <programlisting>
2638   data Foo a = Bar a | Baz String
2639
2640   deriving instance Eq a => Eq (Foo a)
2641 </programlisting>
2642 The syntax is identical to that of an ordinary instance declaration apart from (a) the keyword
2643 <literal>deriving</literal>, and (b) the absence of the <literal>where</literal> part.
2644 You must supply a context (in the example the context is <literal>(Eq a)</literal>), 
2645 exactly as you would in an ordinary instance declaration.
2646 (In contrast the context is inferred in a <literal>deriving</literal> clause 
2647 attached to a data type declaration.) 
2648
2649 A <literal>deriving instance</literal> declaration
2650 must obey the same rules concerning form and termination as ordinary instance declarations,
2651 controlled by the same flags; see <xref linkend="instance-decls"/>.
2652 </para>
2653 <para>
2654 Unlike a <literal>deriving</literal>
2655 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, the instance can be more specific
2656 than the data type (assuming you also use 
2657 <literal>-XFlexibleInstances</literal>, <xref linkend="instance-rules"/>).  Consider
2658 for example
2659 <programlisting>
2660   data Foo a = Bar a | Baz String
2661
2662   deriving instance Eq a => Eq (Foo [a])
2663   deriving instance Eq a => Eq (Foo (Maybe a))
2664 </programlisting>
2665 This will generate a derived instance for <literal>(Foo [a])</literal> and <literal>(Foo (Maybe a))</literal>,
2666 but other types such as <literal>(Foo (Int,Bool))</literal> will not be an instance of <literal>Eq</literal>.
2667 </para>
2668
2669 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
2670 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
2671 For example:
2672 <programlisting>
2673   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
2674
2675   deriving instance MonadState Int Foo
2676 </programlisting>
2677 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
2678 (<literal>Foo</literal> in this example) as the type whose instance is being derived.
2679 </para>
2680
2681 </sect2>
2682
2683
2684 <sect2 id="deriving-typeable">
2685 <title>Deriving clause for extra classes (<literal>Typeable</literal>, <literal>Data</literal>, etc)</title>
2686
2687 <para>
2688 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
2689 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
2690 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
2691 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
2692 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
2693 </para>
2694 <para>
2695 GHC extends this list with several more classes that may be automatically derived:
2696 <itemizedlist>
2697 <listitem><para> With <option>-XDeriveDataTypeable</option>, you can derive instances of the classes
2698 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>, defined in the library
2699 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively.
2700 </para>
2701 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
2702 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
2703 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
2704 described in
2705 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
2706 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
2707 </ulink>.
2708 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
2709 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
2710 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
2711 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
2712 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
2713 then writing the data type instance by hand.
2714 </para>
2715 </listitem>
2716
2717 <listitem><para> With <option>-XDeriveFunctor</option>, you can derive instances of 
2718 the class <literal>Functor</literal>,
2719 defined in <literal>GHC.Base</literal>.
2720 </para></listitem>
2721
2722 <listitem><para> With <option>-XDeriveFoldable</option>, you can derive instances of 
2723 the class <literal>Foldable</literal>,
2724 defined in <literal>Data.Foldable</literal>.
2725 </para></listitem>
2726
2727 <listitem><para> With <option>-XDeriveTraversable</option>, you can derive instances of 
2728 the class <literal>Traversable</literal>,
2729 defined in <literal>Data.Traversable</literal>.
2730 </para></listitem>
2731 </itemizedlist>
2732 In each case the appropriate class must be in scope before it 
2733 can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
2734 </para>
2735 </sect2>
2736
2737 <sect2 id="newtype-deriving">
2738 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2739
2740 <para>
2741 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2742 the new type to inherit some instances from its representation. In
2743 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2744 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2745 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2746 example, if you define
2747
2748 <programlisting>
2749   newtype Dollars = Dollars Int 
2750 </programlisting>
2751
2752 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2753 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2754
2755 <programlisting>
2756   instance Num Dollars where
2757     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2758     ...
2759 </programlisting>
2760 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
2761 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
2762 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
2763 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
2764 dictionary, only slower!
2765 </para>
2766
2767
2768 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
2769 <para>
2770 GHC now permits such instances to be derived instead, 
2771 using the flag <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
2772 so one can write 
2773 <programlisting>
2774   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
2775 </programlisting>
2776
2777 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
2778 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
2779 derives an instance declaration of the form
2780
2781 <programlisting>
2782   instance Num Int => Num Dollars
2783 </programlisting>
2784
2785 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
2786 </para>
2787 <para>
2788
2789 We can also derive instances of constructor classes in a similar
2790 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
2791 transformers, such that
2792
2793 <programlisting>
2794   instance Monad m => Monad (State s m) 
2795   instance Monad m => Monad (Failure m)
2796 </programlisting>
2797 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
2798 <programlisting>
2799   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
2800 </programlisting>
2801
2802 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
2803 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
2804 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
2805
2806 <programlisting>
2807   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2808                          deriving Monad
2809 </programlisting>
2810 In this case the derived instance declaration is of the form 
2811 <programlisting>
2812   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
2813 </programlisting>
2814
2815 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
2816 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
2817 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
2818 "eta-converted" to generate the context of the instance
2819 declaration.
2820 </para>
2821 <para>
2822
2823 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
2824 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
2825 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
2826 clause. For example, given the class
2827
2828 <programlisting>
2829   class StateMonad s m | m -> s where ... 
2830   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
2831 </programlisting>
2832 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
2833 <programlisting>
2834   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2835                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
2836 </programlisting>
2837
2838 The derived instance is obtained by completing the application of the
2839 class to the new type:
2840
2841 <programlisting>
2842   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
2843            StateMonad [tok] (Parser tok m)
2844 </programlisting>
2845 </para>
2846 <para>
2847
2848 As a result of this extension, all derived instances in newtype
2849  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
2850 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
2851 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
2852 the newtype and its representation.
2853 </para>
2854 </sect3>
2855
2856 <sect3> <title> A more precise specification </title>
2857 <para>
2858 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
2859 declaration (after expansion of any type synonyms)
2860
2861 <programlisting>
2862   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
2863 </programlisting>
2864
2865 where 
2866  <itemizedlist>
2867 <listitem><para>
2868   The <literal>ci</literal> are partial applications of
2869   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
2870   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
2871 </para></listitem>
2872 <listitem><para>
2873   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
2874 </para></listitem>
2875 <listitem><para>
2876   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
2877 </para></listitem>
2878 <listitem><para>
2879   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
2880   nor in the <literal>ci</literal>, and
2881 </para></listitem>
2882 <listitem><para>
2883   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
2884                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
2885                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
2886                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
2887                 via this new mechanism.  
2888 </para></listitem>
2889 </itemizedlist>
2890 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
2891 declaration is:
2892 <programlisting>
2893   instance ci t => ci (T v1...vk)
2894 </programlisting>
2895 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
2896 <programlisting>
2897   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
2898 </programlisting>
2899 Here we cannot derive the instance 
2900 <programlisting>
2901   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
2902 </programlisting>
2903
2904 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
2905 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
2906 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
2907 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
2908 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
2909 </para>
2910 <para>
2911
2912 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
2913 important, since we can only derive instances for the last one. If the
2914 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
2915
2916 <programlisting>
2917   class StateMonad m s | m -> s where ... 
2918 </programlisting>
2919
2920 then we would not have been able to derive an instance for the
2921 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
2922 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
2923 instances is most interesting.
2924 </para>
2925 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
2926 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
2927 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
2928 4.3.3. of the Haskell Report).
2929 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2930 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
2931 the standard method is used or the one described here.)
2932 </para>
2933 </sect3>
2934 </sect2>
2935 </sect1>
2936
2937
2938 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
2939 <sect1 id="type-class-extensions">
2940 <title>Class and instances declarations</title>
2941
2942 <sect2 id="multi-param-type-classes">
2943 <title>Class declarations</title>
2944
2945 <para>
2946 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
2947 There's lots of background in the paper <ulink
2948 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space/">Type
2949 classes: exploring the design space</ulink> (Simon Peyton Jones, Mark
2950 Jones, Erik Meijer).
2951 </para>
2952 <para>
2953 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
2954 </para>
2955
2956 <sect3>
2957 <title>Multi-parameter type classes</title>
2958 <para>
2959 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
2960
2961
2962 <programlisting>
2963   class Collection c a where
2964     union :: c a -> c a -> c a
2965     ...etc.
2966 </programlisting>
2967
2968 </para>
2969 </sect3>
2970
2971 <sect3>
2972 <title>The superclasses of a class declaration</title>
2973
2974 <para>
2975 There are no restrictions on the context in a class declaration
2976 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
2977 be acyclic.  So these class declarations are OK:
2978
2979
2980 <programlisting>
2981   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
2982     ...
2983
2984   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
2985     lift :: m a -> (t m) a
2986 </programlisting>
2987
2988
2989 </para>
2990 <para>
2991 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
2992 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
2993 this is OK:
2994
2995
2996 <programlisting>
2997   class C a where {
2998     op :: D b => a -> b -> b
2999   }
3000
3001   class C a => D a where { ... }
3002 </programlisting>
3003
3004
3005 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
3006 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
3007 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
3008 </para>
3009 </sect3>
3010
3011
3012
3013
3014 <sect3 id="class-method-types">
3015 <title>Class method types</title>
3016
3017 <para>
3018 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
3019 class type variable, thus:
3020 <programlisting>
3021   class Seq s a where
3022     fromList :: [a] -> s a
3023     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
3024 </programlisting>
3025 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
3026 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
3027 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
3028 GHC lifts this restriction (flag <option>-XConstrainedClassMethods</option>).
3029 </para>
3030
3031
3032 </sect3>
3033 </sect2>
3034
3035 <sect2 id="functional-dependencies">
3036 <title>Functional dependencies
3037 </title>
3038
3039 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
3040 in &ldquo;<ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/jones00type.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
3041 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
3042 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
3043 .
3044 </para>
3045 <para>
3046 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
3047 class declaration;  e.g. 
3048 <programlisting>
3049   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
3050
3051   class Foo a b c | a b -> c where ...
3052 </programlisting>
3053 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
3054 </para>
3055
3056 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
3057 <para>
3058 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
3059 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
3060 from the free variables of each method type.
3061 For example:
3062
3063 <programlisting>
3064   class Coll s a where
3065     empty  :: s
3066     insert :: s -> a -> s
3067 </programlisting>
3068
3069 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
3070 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
3071 reachable:
3072 <programlisting>
3073   class Coll s a | s -> a where
3074     empty  :: s
3075     insert :: s -> a -> s
3076 </programlisting>
3077
3078 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
3079
3080 <programlisting>
3081   class Coll s a where
3082     empty  :: s a
3083     insert :: s a -> a -> s a
3084 </programlisting>
3085
3086
3087 which makes the connection between the type of a collection of
3088 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
3089 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
3090 class like this:
3091
3092
3093 <programlisting>
3094   class CollE s where
3095     empty  :: s
3096
3097   class CollE s => Coll s a where
3098     insert :: s -> a -> s
3099 </programlisting>
3100 </para>
3101 </sect3>
3102
3103
3104 <sect3>
3105 <title>Background on functional dependencies</title>
3106
3107 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
3108 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
3109 permission of Mark Jones.
3110 </para>
3111 <para> 
3112 Consider the following class, intended as part of a
3113 library for collection types:
3114 <programlisting>
3115    class Collects e ce where
3116        empty  :: ce
3117        insert :: e -> ce -> ce
3118        member :: e -> ce -> Bool
3119 </programlisting>
3120 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
3121 of the container itself. Within this framework, we might want to define
3122 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
3123 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
3124 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
3125 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
3126 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
3127 <programlisting>
3128    instance Eq e => Collects e [e] where ...
3129    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
3130    instance Collects Char BitSet where ...
3131    instance (Hashable e, Collects a ce)
3132               => Collects e (Array Int ce) where ...
3133 </programlisting>
3134 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
3135 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
3136 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
3137 <programlisting>
3138    empty :: Collects e ce => ce
3139 </programlisting>
3140 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
3141 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
3142 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
3143 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
3144 type.
3145 </para>
3146 <para>
3147 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
3148 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
3149 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
3150 them. For example, consider the following two functions: 
3151 <programlisting>
3152    f x y = insert x . insert y
3153    g     = f True 'a'
3154 </programlisting>
3155 for which GHC infers the following types: 
3156 <programlisting>
3157    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3158    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
3159 </programlisting>
3160 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
3161 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
3162 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
3163 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
3164 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
3165 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
3166 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
3167 might even be in a different module.
3168 </para>
3169
3170 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
3171
3172 <para>
3173 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
3174 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
3175 <programlisting>
3176    class Collects e c where
3177       empty  :: c e
3178       insert :: e -> c e -> c e
3179       member :: e -> c e -> Bool
3180 </programlisting>
3181 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
3182 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
3183 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
3184 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
3185 e</literal>, which is not ambiguous. 
3186 </para>
3187 <para>
3188 The function f from the previous section has a more accurate type: 
3189 <programlisting>
3190    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
3191 </programlisting>
3192 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
3193 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
3194 different types. 
3195 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
3196 quite well in practice, without ambiguity problems.
3197 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
3198 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
3199 for <literal>Collects</literal>
3200 given above can be used with this version of Collects because only one of
3201 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
3202 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
3203 </para>
3204 </sect4>
3205
3206 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
3207
3208 <para>
3209 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
3210 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
3211 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
3212 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
3213 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
3214 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
3215 later framework for "improvement" of qualified types. The
3216 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
3217 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
3218 general design space for systems of implicit parameterization.).
3219
3220 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
3221 <programlisting>
3222    class C a b where ...
3223 </programlisting>
3224 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
3225 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
3226 included in the definition of classes to add information about dependencies
3227 between parameters, as in the following examples: 
3228 <programlisting>
3229    class D a b | a -> b where ...
3230    class E a b | a -> b, b -> a where ...
3231 </programlisting>
3232 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
3233 symbols --- not to be
3234 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
3235 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
3236 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
3237 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
3238 represents a (partial) one-one mapping between types.
3239 </para>
3240 <para>
3241 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
3242 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
3243 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
3244 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
3245 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
3246 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
3247 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
3248 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
3249 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
3250 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
3251 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
3252 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
3253 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
3254 <literal>a-&gt;b</literal>, 
3255  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
3256 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
3257 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
3258 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
3259 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
3260 unchanged.
3261 </para>
3262 <para>
3263 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
3264 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
3265 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
3266 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
3267 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
3268 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
3269 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
3270 <programlisting>
3271    instance D Bool Int where ...
3272    instance D Bool Char where ...
3273 </programlisting>
3274 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
3275 <programlisting>
3276    instance D [a] b where ...
3277 </programlisting>
3278 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
3279 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
3280 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
3281 in any instance of the form: 
3282 <programlisting>
3283    instance D t s where ...
3284 </programlisting>
3285 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
3286 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
3287 uniquely determined.
3288 </para>
3289 <para>
3290 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
3291 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
3292 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
3293 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
3294 with a simple dependency: 
3295 <programlisting>
3296    class Collects e ce | ce -> e where
3297       empty  :: ce
3298       insert :: e -> ce -> ce
3299       member :: e -> ce -> Bool
3300 </programlisting>
3301 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
3302 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
3303 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
3304 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
3305 together with this new definition.
3306 </para>
3307 <para>
3308 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
3309 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
3310 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
3311 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
3312 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
3313 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
3314 give enough information to determine types for both ce and e, without
3315 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
3316 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
3317 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
3318 </para>
3319 <para>
3320 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
3321 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
3322 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
3323 function f: 
3324 <programlisting>
3325    f x y = insert x y = insert x . insert y
3326 </programlisting>
3327 for which we originally obtained a type: 
3328 <programlisting>
3329    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3330 </programlisting>
3331 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
3332 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
3333 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
3334 can infer a shorter and more accurate type for f: 
3335 <programlisting>
3336    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
3337 </programlisting>
3338 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
3339 </para>
3340 <para>
3341 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
3342 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
3343 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
3344 sets of instance declarations.
3345 </para>
3346 </sect4>
3347 </sect3>
3348 </sect2>
3349
3350 <sect2 id="instance-decls">
3351 <title>Instance declarations</title>
3352
3353 <para>An instance declaration has the form
3354 <screen>
3355   instance ( <replaceable>assertion</replaceable><subscript>1</subscript>, ..., <replaceable>assertion</replaceable><subscript>n</subscript>) =&gt; <replaceable>class</replaceable> <replaceable>type</replaceable><subscript>1</subscript> ... <replaceable>type</replaceable><subscript>m</subscript> where ...
3356 </screen>
3357 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
3358 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
3359 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
3360 </para>
3361
3362 <sect3 id="flexible-instance-head">
3363 <title>Relaxed rules for the instance head</title>
3364
3365 <para>
3366 In Haskell 98 the head of an instance declaration
3367 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
3368 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a data type constructor,
3369 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
3370 GHC relaxes these rules in two ways.
3371 <itemizedlist>
3372 <listitem>
3373 <para>
3374 The <option>-XFlexibleInstances</option> flag allows the head of the instance
3375 declaration to mention arbitrary nested types.
3376 For example, this becomes a legal instance declaration
3377 <programlisting>
3378   instance C (Maybe Int) where ...
3379 </programlisting>
3380 See also the <link linkend="instance-overlap">rules on overlap</link>.
3381 </para></listitem>
3382 <listitem><para>
3383 With the <option>-XTypeSynonymInstances</option> flag, instance heads may use type
3384 synonyms. As always, using a type synonym is just shorthand for
3385 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
3386
3387
3388 <programlisting>
3389   type Point = (Int,Int)
3390   instance C Point   where ...
3391   instance C [Point] where ...
3392 </programlisting>
3393
3394
3395 is legal.  However, if you added
3396
3397
3398 <programlisting>
3399   instance C (Int,Int) where ...
3400 </programlisting>
3401
3402
3403 as well, then the compiler will complain about the overlapping
3404 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
3405 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
3406
3407 <programlisting>
3408   type P a = [[a]]
3409   instance Monad P where ...
3410 </programlisting>
3411
3412 </para></listitem>
3413 </itemizedlist>
3414 </para>
3415 </sect3>
3416
3417 <sect3 id="instance-rules">
3418 <title>Relaxed rules for instance contexts</title>
3419
3420 <para>In Haskell 98, the assertions in the context of the instance declaration
3421 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
3422 is a type variable that occurs in the head.
3423 </para>
3424
3425 <para>
3426 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag relaxes this rule, as well
3427 as the corresponding rule for type signatures (see <xref linkend="flexible-contexts"/>).
3428 With this flag the context of the instance declaration can each consist of arbitrary
3429 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
3430 following rules:
3431 <orderedlist>
3432 <listitem><para>
3433 The Paterson Conditions: for each assertion in the context
3434 <orderedlist>
3435 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
3436 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
3437       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
3438 </orderedlist>
3439 </para></listitem>
3440
3441 <listitem><para>The Coverage Condition.  For each functional dependency,
3442 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
3443 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
3444 every type variable in
3445 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
3446 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
3447 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
3448 corresponding type in the instance declaration.
3449 </para></listitem>
3450 </orderedlist>
3451 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
3452 step makes the problem smaller by at least one
3453 constructor.  Both the Paterson Conditions and the Coverage Condition are lifted 
3454 if you give the <option>-XUndecidableInstances</option> 
3455 flag (<xref linkend="undecidable-instances"/>).
3456 You can find lots of background material about the reason for these
3457 restrictions in the paper <ulink
3458 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
3459 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
3460 </para>
3461 <para>
3462 For example, these are OK:
3463 <programlisting>
3464   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
3465   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
3466
3467       -- Repeated type variable in head
3468   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
3469   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
3470
3471       -- Head can consist of type variables only
3472   instance C a
3473   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
3474
3475       -- Non-type variables in context
3476   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
3477   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
3478   instance C2 Int a => C3 [a] b
3479 </programlisting>
3480 But these are not:
3481 <programlisting>
3482       -- Context assertion no smaller than head
3483   instance C a => C a where ...
3484       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
3485   instance C b b => Foo [b] where ...
3486 </programlisting>
3487 </para>
3488
3489 <para>
3490 The same restrictions apply to instances generated by
3491 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
3492 <programlisting>
3493   data MinHeap h a = H a (h a)
3494     deriving (Show)
3495 </programlisting>
3496 because the derived instance
3497 <programlisting>
3498   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
3499 </programlisting>
3500 conforms to the above rules.
3501 </para>
3502
3503 <para>
3504 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
3505 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
3506 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
3507 something more specific does not:
3508 <programlisting>
3509   instance C a where
3510     op = ... -- Default
3511 </programlisting>
3512 </para>
3513 </sect3>
3514
3515 <sect3 id="undecidable-instances">
3516 <title>Undecidable instances</title>
3517
3518 <para>
3519 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
3520 For example, sometimes you might want to use the following to get the
3521 effect of a "class synonym":
3522 <programlisting>
3523   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3524
3525   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3526 </programlisting>
3527 This allows you to write shorter signatures:
3528 <programlisting>
3529   f :: C a => ...
3530 </programlisting>
3531 instead of
3532 <programlisting>
3533   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
3534 </programlisting>
3535 The restrictions on functional dependencies (<xref
3536 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
3537 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
3538 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
3539 <programlisting>
3540   class HasConverter a b | a -> b where
3541      convert :: a -> b
3542    
3543   data Foo a = MkFoo a
3544
3545   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
3546      show (MkFoo value) = show (convert value)
3547 </programlisting>
3548 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
3549 typechecker loop:
3550 <programlisting>
3551   class D a
3552   class F a b | a->b
3553   instance F [a] [[a]]
3554   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
3555 </programlisting>
3556 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
3557 <programlisting>
3558   class Mul a b c | a b -> c where
3559         (.*.) :: a -> b -> c
3560
3561   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
3562   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
3563   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
3564 </programlisting>
3565 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
3566 and indeed the (somewhat strange) definition:
3567 <programlisting>
3568   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
3569 </programlisting>
3570 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
3571 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
3572 </para>
3573 <para>
3574 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
3575 the experimental flag <option>-XUndecidableInstances</option>
3576 <indexterm><primary>-XUndecidableInstances</primary></indexterm>, 
3577 both the Paterson Conditions and the Coverage Condition
3578 (described in <xref linkend="instance-rules"/>) are lifted.  Termination is ensured by having a
3579 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
3580 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
3581 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
3582 </para>
3583
3584 </sect3>
3585
3586
3587 <sect3 id="instance-overlap">
3588 <title>Overlapping instances</title>
3589 <para>
3590 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
3591 declaration
3592 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
3593 can be modified by two flags: <option>-XOverlappingInstances</option>
3594 <indexterm><primary>-XOverlappingInstances
3595 </primary></indexterm> 
3596 and <option>-XIncoherentInstances</option>
3597 <indexterm><primary>-XIncoherentInstances
3598 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
3599 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
3600 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
3601 <para>
3602 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
3603 it tries to match every instance declaration against the
3604 constraint,
3605 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
3606 these declarations:
3607 <programlisting>
3608   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
3609   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
3610   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
3611   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
3612 </programlisting>
3613 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
3614 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
3615 no account of the context of the instance declaration
3616 (<literal>context1</literal> etc).
3617 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
3618 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
3619 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
3620 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
3621 particular constraint matches more than one.
3622 </para>
3623
3624 <para>
3625 The <option>-XOverlappingInstances</option> flag instructs GHC to allow
3626 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
3627 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
3628 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
3629 most-specific match, the program is rejected.
3630 </para>
3631 <para>
3632 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
3633 <programlisting>
3634   f :: [b] -> [b]
3635   f x = ...
3636 </programlisting>
3637 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
3638 <literal>C Int [b]</literal>.  But
3639 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
3640 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
3641 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
3642 So GHC rejects the program.  
3643 (If you add the flag <option>-XIncoherentInstances</option>,
3644 GHC will instead pick (C), without complaining about 
3645 the problem of subsequent instantiations.)
3646 </para>
3647 <para>
3648 Notice that we gave a type signature to <literal>f</literal>, so GHC had to
3649 <emphasis>check</emphasis> that <literal>f</literal> has the specified type.  
3650 Suppose instead we do not give a type signature, asking GHC to <emphasis>infer</emphasis>
3651 it instead.  In this case, GHC will refrain from
3652 simplifying the constraint <literal>C Int [b]</literal> (for the same reason
3653 as before) but, rather than rejecting the program, it will infer the type
3654 <programlisting>
3655   f :: C Int [b] => [b] -> [b]
3656 </programlisting>
3657 That postpones the question of which instance to pick to the 
3658 call site for <literal>f</literal>
3659 by which time more is known about the type <literal>b</literal>.
3660 You can write this type signature yourself if you use the 
3661 <link linkend="flexible-contexts"><option>-XFlexibleContexts</option></link>
3662 flag.
3663 </para>
3664 <para>
3665 Exactly the same situation can arise in instance declarations themselves.  Suppose we have
3666 <programlisting>
3667   class Foo a where
3668      f :: a -> a
3669   instance Foo [b] where
3670      f x = ...
3671 </programlisting>
3672 and, as before, the constraint <literal>C Int [b]</literal> arises from <literal>f</literal>'s
3673 right hand side.  GHC will reject the instance, complaining as before that it does not know how to resolve
3674 the constraint <literal>C Int [b]</literal>, because it matches more than one instance
3675 declaration.  The solution is to postpone the choice by adding the constraint to the context
3676 of the instance declaration, thus:
3677 <programlisting>
3678   instance C Int [b] => Foo [b] where
3679      f x = ...
3680 </programlisting>
3681 (You need <link linkend="instance-rules"><option>-XFlexibleInstances</option></link> to do this.)
3682 </para>
3683 <para>
3684 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
3685 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
3686 presence or otherwise of the <option>-XOverlappingInstances</option> 
3687 and <option>-XIncoherentInstances</option> flags when that module is
3688 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
3689 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
3690 <itemizedlist>
3691 <listitem><para>
3692 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
3693 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
3694 <option>-XOverlappingInstances</option>.  The flag setting for the
3695 more-specific instance does not matter.
3696 </para></listitem>
3697 <listitem><para>
3698 Suppose an instance declaration does not match the constraint being looked up, but
3699 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
3700 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
3701 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
3702 <option>-XIncoherentInstances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
3703 check for that declaration.
3704 </para></listitem>
3705 </itemizedlist>
3706 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
3707 overlapping instances without the library client having to know.  
3708 </para>
3709 <para>
3710 If an instance declaration is compiled without
3711 <option>-XOverlappingInstances</option>,
3712 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
3713 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
3714 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
3715 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
3716 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
3717 are compiled, if the <option>-XOverlappingInstances</option> flag is
3718 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
3719 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
3720 </para>
3721 <para>The <option>-XIncoherentInstances</option> flag implies the
3722 <option>-XOverlappingInstances</option> flag, but not vice versa.
3723 </para>
3724 </sect3>
3725
3726
3727
3728 </sect2>
3729
3730 <sect2 id="overloaded-strings">
3731 <title>Overloaded string literals
3732 </title>
3733
3734 <para>
3735 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
3736 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
3737 literals enabled (with <literal>-XOverloadedStrings</literal>)
3738  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
3739 </para>
3740 <para>
3741 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
3742 and other variations of string like types.  String literals behave very much
3743 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
3744 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
3745 way as an integer literal is.
3746 </para>
3747 <para>
3748 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
3749 <programlisting>
3750 class IsString a where
3751     fromString :: String -> a
3752 </programlisting>
3753 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
3754 <programlisting>
3755 instance IsString [Char] where
3756     fromString cs = cs
3757 </programlisting>
3758 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
3759 it explicitly (for example, to give an instance declaration for it), you can import it
3760 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
3761 </para>
3762 <para>
3763 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-XOverloadedStrings</option> is specified.
3764 Specifically:
3765 <itemizedlist>
3766 <listitem><para>
3767 Each type in a default declaration must be an 
3768 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
3769 </para></listitem>
3770
3771 <listitem><para>
3772 The standard defaulting rule (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
3773 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
3774 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
3775 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
3776 </para></listitem>
3777 </itemizedlist>
3778 </para>
3779 <para>
3780 A small example:
3781 <programlisting>
3782 module Main where
3783
3784 import GHC.Exts( IsString(..) )
3785
3786 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
3787 instance IsString MyString where
3788     fromString = MyString
3789
3790 greet :: MyString -> MyString
3791 greet "hello" = "world"
3792 greet other = other
3793
3794 main = do
3795     print $ greet "hello"
3796     print $ greet "fool"
3797 </programlisting>
3798 </para>
3799 <para>
3800 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
3801 to work since it gets translated into an equality comparison.
3802 </para>
3803 </sect2>
3804
3805 </sect1>
3806
3807 <sect1 id="type-families">
3808 <title>Type families</title>
3809
3810 <para>
3811   <firstterm>Indexed type families</firstterm> are a new GHC extension to
3812   facilitate type-level 
3813   programming. Type families are a generalisation of <firstterm>associated
3814   data types</firstterm> 
3815   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKPM05.html">Associated 
3816   Types with Class</ulink>&rdquo;, M. Chakravarty, G. Keller, S. Peyton Jones,
3817   and S. Marlow. In Proceedings of &ldquo;The 32nd Annual ACM SIGPLAN-SIGACT
3818      Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'05)&rdquo;, pages
3819   1-13, ACM Press, 2005) and <firstterm>associated type synonyms</firstterm>
3820   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKP05.html">Type  
3821   Associated Type Synonyms</ulink>&rdquo;. M. Chakravarty, G. Keller, and
3822   S. Peyton Jones. 
3823   In Proceedings of &ldquo;The Tenth ACM SIGPLAN International Conference on
3824   Functional Programming&rdquo;, ACM Press, pages 241-253, 2005).  Type families
3825   themselves are described in the paper &ldquo;<ulink 
3826   url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
3827   Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;, T. Schrijvers,
3828   S. Peyton-Jones, 
3829   M. Chakravarty, and M. Sulzmann, in Proceedings of &ldquo;ICFP 2008: The
3830   13th ACM SIGPLAN International Conference on Functional
3831   Programming&rdquo;, ACM Press, pages 51-62, 2008. Type families
3832   essentially provide type-indexed data types and named functions on types,
3833   which are useful for generic programming and highly parameterised library
3834   interfaces as well as interfaces with enhanced static information, much like
3835   dependent types. They might also be regarded as an alternative to functional
3836   dependencies, but provide a more functional style of type-level programming
3837   than the relational style of functional dependencies. 
3838 </para>
3839 <para>
3840   Indexed type families, or type families for short, are type constructors that
3841   represent sets of types. Set members are denoted by supplying the type family
3842   constructor with type parameters, which are called <firstterm>type
3843   indices</firstterm>. The 
3844   difference between vanilla parametrised type constructors and family
3845   constructors is much like between parametrically polymorphic functions and
3846   (ad-hoc polymorphic) methods of type classes. Parametric polymorphic functions
3847   behave the same at all type instances, whereas class methods can change their
3848   behaviour in dependence on the class type parameters. Similarly, vanilla type
3849   constructors imply the same data representation for all type instances, but
3850   family constructors can have varying representation types for varying type
3851   indices. 
3852 </para>
3853 <para>
3854   Indexed type families come in two flavours: <firstterm>data
3855     families</firstterm> and <firstterm>type synonym 
3856     families</firstterm>. They are the indexed family variants of algebraic
3857   data types and type synonyms, respectively. The instances of data families
3858   can be data types and newtypes. 
3859 </para>
3860 <para>
3861   Type families are enabled by the flag <option>-XTypeFamilies</option>.
3862   Additional information on the use of type families in GHC is available on
3863   <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GHC/Indexed_types">the
3864   Haskell wiki page on type families</ulink>.
3865 </para>
3866
3867 <sect2 id="data-families">
3868   <title>Data families</title>
3869
3870   <para>
3871     Data families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
3872     toplevel 
3873     or (2) they can appear inside type classes (in which case they are known as
3874     associated types). The former is the more general variant, as it lacks the
3875     requirement for the type-indexes to coincide with the class
3876     parameters. However, the latter can lead to more clearly structured code and
3877     compiler warnings if some type instances were - possibly accidentally -
3878     omitted. In the following, we always discuss the general toplevel form first
3879     and then cover the additional constraints placed on associated types.
3880   </para>
3881
3882   <sect3 id="data-family-declarations"> 
3883     <title>Data family declarations</title>
3884
3885     <para>
3886       Indexed data families are introduced by a signature, such as 
3887 <programlisting>
3888 data family GMap k :: * -> *
3889 </programlisting>
3890       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
3891       data declarations.  The result kind annotation is optional and, as
3892       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is
3893 <programlisting>
3894 data family Array e
3895 </programlisting>
3896       Named arguments can also be given explicit kind signatures if needed.
3897       Just as with
3898       [http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/users_guide/gadt.html GADT
3899       declarations] named arguments are entirely optional, so that we can
3900       declare <literal>Array</literal> alternatively with 
3901 <programlisting>
3902 data family Array :: * -> *
3903 </programlisting>
3904     </para>
3905
3906     <sect4 id="assoc-data-family-decl">
3907       <title>Associated data family declarations</title>
3908       <para>
3909         When a data family is declared as part of a type class, we drop
3910         the <literal>family</literal> special.  The <literal>GMap</literal>
3911         declaration takes the following form 
3912 <programlisting>
3913 class GMapKey k where
3914   data GMap k :: * -> *
3915   ...
3916 </programlisting>
3917         In contrast to toplevel declarations, named arguments must be used for
3918         all type parameters that are to be used as type-indexes.  Moreover,
3919         the argument names must be class parameters.  Each class parameter may
3920         only be used at most once per associated type, but some may be omitted
3921         and they may be in an order other than in the class head.  Hence, the
3922         following contrived example is admissible: 
3923 <programlisting>
3924   class C a b c where
3925   data T c a :: *
3926 </programlisting>
3927       </para>
3928     </sect4>
3929   </sect3>
3930
3931   <sect3 id="data-instance-declarations"> 
3932     <title>Data instance declarations</title>
3933
3934     <para>
3935       Instance declarations of data and newtype families are very similar to
3936       standard data and newtype declarations.  The only two differences are
3937       that the keyword <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>
3938       is followed by <literal>instance</literal> and that some or all of the
3939       type arguments can be non-variable types, but may not contain forall
3940       types or type synonym families.  However, data families are generally
3941       allowed in type parameters, and type synonyms are allowed as long as
3942       they are fully applied and expand to a type that is itself admissible -
3943       exactly as this is required for occurrences of type synonyms in class
3944       instance parameters.  For example, the <literal>Either</literal>
3945       instance for <literal>GMap</literal> is 
3946 <programlisting>
3947 data instance GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
3948 </programlisting>
3949       In this example, the declaration has only one variant.  In general, it
3950       can be any number.
3951     </para>
3952     <para>
3953       Data and newtype instance declarations are only permitted when an
3954       appropriate family declaration is in scope - just as a class instance declaratoin
3955       requires the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
3956       declaration has to conform to the kind determined by its family
3957       declaration.  This implies that the number of parameters of an instance
3958       declaration matches the arity determined by the kind of the family.
3959     </para>
3960     <para>
3961       A data family instance declaration can use the full exprssiveness of
3962       ordinary <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declarations:
3963       <itemizedlist>
3964       <listitem><para> Although, a data family is <emphasis>introduced</emphasis> with
3965       the keyword "<literal>data</literal>", a data family <emphasis>instance</emphasis> can 
3966       use either <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>. For example:
3967 <programlisting>
3968 data family T a
3969 data    instance T Int  = T1 Int | T2 Bool
3970 newtype instance T Char = TC Bool
3971 </programlisting>
3972       </para></listitem>
3973       <listitem><para> A <literal>data instance</literal> can use GADT syntax for the data constructors,
3974       and indeed can define a GADT.  For example:
3975 <programlisting>
3976 data family G a b
3977 data instance G [a] b where
3978    G1 :: c -> G [Int] b
3979    G2 :: G [a] Bool
3980 </programlisting>
3981       </para></listitem>
3982       <listitem><para> You can use a <literal>deriving</literal> clause on a
3983       <literal>data instance</literal> or <literal>newtype instance</literal>
3984       declaration.
3985       </para></listitem>
3986       </itemizedlist>
3987     </para>
3988
3989     <para>
3990       Even if type families are defined as toplevel declarations, functions
3991       that perform different computations for different family instances may still
3992       need to be defined as methods of type classes.  In particular, the
3993       following is not possible: 
3994 <programlisting>
3995 data family T a
3996 data instance T Int  = A
3997 data instance T Char = B
3998 foo :: T a -> Int
3999 foo A = 1             -- WRONG: These two equations together...
4000 foo B = 2             -- ...will produce a type error.
4001 </programlisting>
4002 Instead, you would have to write <literal>foo</literal> as a class operation, thus:
4003 <programlisting>
4004 class C a where 
4005   foo :: T a -> Int
4006 instance Foo Int where
4007   foo A = 1
4008 instance Foo Char where
4009   foo B = 2
4010 </programlisting>
4011       (Given the functionality provided by GADTs (Generalised Algebraic Data
4012       Types), it might seem as if a definition, such as the above, should be
4013       feasible.  However, type families are - in contrast to GADTs - are
4014       <emphasis>open;</emphasis> i.e., new instances can always be added,
4015       possibly in other 
4016       modules.  Supporting pattern matching across different data instances
4017       would require a form of extensible case construct.)
4018     </para>
4019
4020     <sect4 id="assoc-data-inst">
4021       <title>Associated data instances</title>
4022       <para>
4023         When an associated data family instance is declared within a type
4024         class instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the
4025         family instance.  So, the <literal>Either</literal> instance
4026         for <literal>GMap</literal> becomes: 
4027 <programlisting>
4028 instance (GMapKey a, GMapKey b) => GMapKey (Either a b) where
4029   data GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4030   ...
4031 </programlisting>
4032         The most important point about associated family instances is that the
4033         type indexes corresponding to class parameters must be identical to
4034         the type given in the instance head; here this is the first argument
4035         of <literal>GMap</literal>, namely <literal>Either a b</literal>,
4036         which coincides with the only class parameter.  Any parameters to the
4037         family constructor that do not correspond to class parameters, need to
4038         be variables in every instance; here this is the
4039         variable <literal>v</literal>. 
4040       </para>
4041       <para>
4042         Instances for an associated family can only appear as part of
4043         instances declarations of the class in which the family was declared -
4044         just as with the equations of the methods of a class.  Also in
4045         correspondence to how methods are handled, declarations of associated
4046         types can be omitted in class instances.  If an associated family
4047         instance is omitted, the corresponding instance type is not inhabited;
4048         i.e., only diverging expressions, such
4049         as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4050       </para>
4051     </sect4>
4052
4053     <sect4 id="scoping-class-params">
4054       <title>Scoping of class parameters</title>
4055       <para>
4056         In the case of multi-parameter type classes, the visibility of class
4057         parameters in the right-hand side of associated family instances
4058         depends <emphasis>solely</emphasis> on the parameters of the data
4059         family.  As an example, consider the simple class declaration 
4060 <programlisting>
4061 class C a b where
4062   data T a
4063 </programlisting>
4064         Only one of the two class parameters is a parameter to the data
4065         family.  Hence, the following instance declaration is invalid: 
4066 <programlisting>
4067 instance C [c] d where
4068   data T [c] = MkT (c, d)    -- WRONG!!  'd' is not in scope
4069 </programlisting>
4070         Here, the right-hand side of the data instance mentions the type
4071         variable <literal>d</literal> that does not occur in its left-hand
4072         side.  We cannot admit such data instances as they would compromise
4073         type safety. 
4074       </para>
4075     </sect4>
4076
4077     <sect4 id="family-class-inst">
4078       <title>Type class instances of family instances</title>
4079       <para>
4080         Type class instances of instances of data families can be defined as
4081         usual, and in particular data instance declarations can
4082         have <literal>deriving</literal> clauses.  For example, we can write 
4083 <programlisting>
4084 data GMap () v = GMapUnit (Maybe v)
4085                deriving Show
4086 </programlisting>
4087         which implicitly defines an instance of the form
4088 <programlisting>
4089 instance Show v => Show (GMap () v) where ...
4090 </programlisting>
4091       </para>
4092       <para>
4093         Note that class instances are always for
4094         particular <emphasis>instances</emphasis> of a data family and never
4095         for an entire family as a whole.  This is for essentially the same
4096         reasons that we cannot define a toplevel function that performs
4097         pattern matching on the data constructors
4098         of <emphasis>different</emphasis> instances of a single type family.
4099         It would require a form of extensible case construct. 
4100       </para>
4101     </sect4>
4102
4103     <sect4 id="data-family-overlap">
4104       <title>Overlap of data instances</title>
4105       <para>
4106         The instance declarations of a data family used in a single program
4107         may not overlap at all, independent of whether they are associated or
4108         not.  In contrast to type class instances, this is not only a matter
4109         of consistency, but one of type safety. 
4110       </para>
4111     </sect4>
4112
4113   </sect3>
4114
4115   <sect3 id="data-family-import-export">
4116     <title>Import and export</title>
4117
4118     <para>
4119       The association of data constructors with type families is more dynamic
4120       than that is the case with standard data and newtype declarations.  In
4121       the standard case, the notation <literal>T(..)</literal> in an import or
4122       export list denotes the type constructor and all the data constructors
4123       introduced in its declaration.  However, a family declaration never
4124       introduces any data constructors; instead, data constructors are
4125       introduced by family instances.  As a result, which data constructors
4126       are associated with a type family depends on the currently visible
4127       instance declarations for that family.  Consequently, an import or
4128       export item of the form <literal>T(..)</literal> denotes the family
4129       constructor and all currently visible data constructors - in the case of
4130       an export item, these may be either imported or defined in the current
4131       module.  The treatment of import and export items that explicitly list
4132       data constructors, such as <literal>GMap(GMapEither)</literal>, is
4133       analogous. 
4134     </para>
4135
4136     <sect4 id="data-family-impexp-assoc">
4137       <title>Associated families</title>
4138       <para>
4139         As expected, an import or export item of the
4140         form <literal>C(..)</literal> denotes all of the class' methods and
4141         associated types.  However, when associated types are explicitly
4142         listed as subitems of a class, we need some new syntax, as uppercase
4143         identifiers as subitems are usually data constructors, not type
4144         constructors.  To clarify that we denote types here, each associated
4145         type name needs to be prefixed by the keyword <literal>type</literal>.
4146         So for example, when explicitly listing the components of
4147         the <literal>GMapKey</literal> class, we write <literal>GMapKey(type
4148         GMap, empty, lookup, insert)</literal>. 
4149       </para>
4150     </sect4>
4151
4152     <sect4 id="data-family-impexp-examples">
4153       <title>Examples</title>
4154       <para>
4155         Assuming our running <literal>GMapKey</literal> class example, let us
4156         look at some export lists and their meaning: 
4157         <itemizedlist>
4158           <listitem>
4159             <para><literal>module GMap (GMapKey) where...</literal>: Exports
4160               just the class name.</para>
4161           </listitem>
4162           <listitem>
4163             <para><literal>module GMap (GMapKey(..)) where...</literal>:
4164               Exports the class, the associated type <literal>GMap</literal>
4165               and the member
4166               functions <literal>empty</literal>, <literal>lookup</literal>,
4167               and <literal>insert</literal>.  None of the data constructors is 
4168               exported.</para>
4169           </listitem> 
4170           <listitem>
4171             <para><literal>module GMap (GMapKey(..), GMap(..))
4172                 where...</literal>: As before, but also exports all the data
4173               constructors <literal>GMapInt</literal>, 
4174               <literal>GMapChar</literal>,  
4175               <literal>GMapUnit</literal>, <literal>GMapPair</literal>,
4176               and <literal>GMapUnit</literal>.</para>
4177           </listitem>
4178           <listitem>
4179             <para><literal>module GMap (GMapKey(empty, lookup, insert),
4180             GMap(..)) where...</literal>: As before.</para>
4181           </listitem>
4182           <listitem>
4183             <para><literal>module GMap (GMapKey, empty, lookup, insert, GMap(..))
4184                 where...</literal>: As before.</para>
4185           </listitem>
4186         </itemizedlist>
4187       </para>
4188       <para>
4189         Finally, you can write <literal>GMapKey(type GMap)</literal> to denote
4190         both the class <literal>GMapKey</literal> as well as its associated
4191         type <literal>GMap</literal>.  However, you cannot
4192         write <literal>GMapKey(type GMap(..))</literal> &mdash; i.e.,
4193         sub-component specifications cannot be nested.  To
4194         specify <literal>GMap</literal>'s data constructors, you have to list
4195         it separately. 
4196       </para>
4197     </sect4>
4198
4199     <sect4 id="data-family-impexp-instances">
4200       <title>Instances</title>
4201       <para>
4202         Family instances are implicitly exported, just like class instances.
4203         However, this applies only to the heads of instances, not to the data
4204         constructors an instance defines. 
4205       </para>
4206     </sect4>
4207
4208   </sect3>
4209
4210 </sect2>
4211
4212 <sect2 id="synonym-families">
4213   <title>Synonym families</title>
4214
4215   <para>
4216     Type families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4217     toplevel or (2) they can appear inside type classes (in which case they
4218     are known as associated type synonyms).  The former is the more general
4219     variant, as it lacks the requirement for the type-indexes to coincide with
4220     the class parameters.  However, the latter can lead to more clearly
4221     structured code and compiler warnings if some type instances were -
4222     possibly accidentally - omitted.  In the following, we always discuss the
4223     general toplevel form first and then cover the additional constraints
4224     placed on associated types.
4225   </para>
4226
4227   <sect3 id="type-family-declarations">
4228     <title>Type family declarations</title>
4229
4230     <para>
4231       Indexed type families are introduced by a signature, such as 
4232 <programlisting>
4233 type family Elem c :: *
4234 </programlisting>
4235       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4236       type declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4237       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is 
4238 <programlisting>
4239 type family Elem c
4240 </programlisting>
4241       Parameters can also be given explicit kind signatures if needed.  We
4242       call the number of parameters in a type family declaration, the family's
4243       arity, and all applications of a type family must be fully saturated
4244       w.r.t. to that arity.  This requirement is unlike ordinary type synonyms
4245       and it implies that the kind of a type family is not sufficient to
4246       determine a family's arity, and hence in general, also insufficient to
4247       determine whether a type family application is well formed.  As an
4248       example, consider the following declaration: 
4249 <programlisting>
4250 type family F a b :: * -> *   -- F's arity is 2, 
4251                               -- although it's overall kind is * -> * -> * -> *
4252 </programlisting>
4253       Given this declaration the following are examples of well-formed and
4254       malformed types: 
4255 <programlisting>
4256 F Char [Int]       -- OK!  Kind: * -> *
4257 F Char [Int] Bool  -- OK!  Kind: *
4258 F IO Bool          -- WRONG: kind mismatch in the first argument
4259 F Bool             -- WRONG: unsaturated application
4260 </programlisting>
4261       </para>
4262
4263     <sect4 id="assoc-type-family-decl">
4264       <title>Associated type family declarations</title>
4265       <para>
4266         When a type family is declared as part of a type class, we drop
4267         the <literal>family</literal> special.  The <literal>Elem</literal>
4268         declaration takes the following form 
4269 <programlisting>
4270 class Collects ce where
4271   type Elem ce :: *
4272   ...
4273 </programlisting>
4274         The argument names of the type family must be class parameters.  Each
4275         class parameter may only be used at most once per associated type, but
4276         some may be omitted and they may be in an order other than in the
4277         class head.  Hence, the following contrived example is admissible: 
4278 <programlisting>
4279 class C a b c where
4280   type T c a :: *
4281 </programlisting>
4282         These rules are exactly as for associated data families.
4283       </para>
4284     </sect4>
4285   </sect3>
4286
4287   <sect3 id="type-instance-declarations">
4288     <title>Type instance declarations</title>
4289     <para>
4290       Instance declarations of type families are very similar to standard type
4291       synonym declarations.  The only two differences are that the
4292       keyword <literal>type</literal> is followed
4293       by <literal>instance</literal> and that some or all of the type
4294       arguments can be non-variable types, but may not contain forall types or
4295       type synonym families. However, data families are generally allowed, and
4296       type synonyms are allowed as long as they are fully applied and expand
4297       to a type that is admissible - these are the exact same requirements as
4298       for data instances.  For example, the <literal>[e]</literal> instance
4299       for <literal>Elem</literal> is 
4300 <programlisting>
4301 type instance Elem [e] = e
4302 </programlisting>
4303     </para>
4304     <para>
4305       Type family instance declarations are only legitimate when an
4306       appropriate family declaration is in scope - just like class instances
4307       require the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4308       declaration has to conform to the kind determined by its family
4309       declaration, and the number of type parameters in an instance
4310       declaration must match the number of type parameters in the family
4311       declaration.   Finally, the right-hand side of a type instance must be a
4312       monotype (i.e., it may not include foralls) and after the expansion of
4313       all saturated vanilla type synonyms, no synonyms, except family synonyms
4314       may remain.  Here are some examples of admissible and illegal type
4315       instances: 
4316 <programlisting>
4317 type family F a :: *
4318 type instance F [Int]              = Int         -- OK!
4319 type instance F String             = Char        -- OK!
4320 type instance F (F a)              = a           -- WRONG: type parameter mentions a type family
4321 type instance F (forall a. (a, b)) = b           -- WRONG: a forall type appears in a type parameter
4322 type instance F Float              = forall a.a  -- WRONG: right-hand side may not be a forall type
4323
4324 type family G a b :: * -> *
4325 type instance G Int            = (,)     -- WRONG: must be two type parameters
4326 type instance G Int Char Float = Double  -- WRONG: must be two type parameters
4327 </programlisting>
4328     </para>
4329
4330     <sect4 id="assoc-type-instance">
4331       <title>Associated type instance declarations</title>
4332       <para>
4333         When an associated family instance is declared within a type class
4334         instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the family
4335         instance.  So, the <literal>[e]</literal> instance
4336         for <literal>Elem</literal> becomes: 
4337 <programlisting>
4338 instance (Eq (Elem [e])) => Collects ([e]) where
4339   type Elem [e] = e
4340   ...
4341 </programlisting>
4342         The most important point about associated family instances is that the
4343         type indexes corresponding to class parameters must be identical to the
4344         type given in the instance head; here this is <literal>[e]</literal>,
4345         which coincides with the only class parameter. 
4346       </para>
4347       <para>
4348         Instances for an associated family can only appear as part of  instances
4349         declarations of the class in which the family was declared - just as
4350         with the equations of the methods of a class.  Also in correspondence to
4351         how methods are handled, declarations of associated types can be omitted
4352         in class instances.  If an associated family instance is omitted, the
4353         corresponding instance type is not inhabited; i.e., only diverging
4354         expressions, such as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4355       </para>
4356     </sect4>
4357
4358     <sect4 id="type-family-overlap">
4359       <title>Overlap of type synonym instances</title>
4360       <para>
4361         The instance declarations of a type family used in a single program
4362         may only overlap if the right-hand sides of the overlapping instances
4363         coincide for the overlapping types.  More formally, two instance
4364         declarations overlap if there is a substitution that makes the
4365         left-hand sides of the instances syntactically the same.  Whenever
4366         that is the case, the right-hand sides of the instances must also be
4367         syntactically equal under the same substitution.  This condition is
4368         independent of whether the type family is associated or not, and it is
4369         not only a matter of consistency, but one of type safety. 
4370       </para>
4371       <para>
4372         Here are two example to illustrate the condition under which overlap
4373         is permitted. 
4374 <programlisting>
4375 type instance F (a, Int) = [a]
4376 type instance F (Int, b) = [b]   -- overlap permitted
4377
4378 type instance G (a, Int)  = [a]
4379 type instance G (Char, a) = [a]  -- ILLEGAL overlap, as [Char] /= [Int]
4380 </programlisting>
4381       </para>
4382     </sect4>
4383
4384     <sect4 id="type-family-decidability">
4385       <title>Decidability of type synonym instances</title>
4386       <para>
4387         In order to guarantee that type inference in the presence of type
4388         families decidable, we need to place a number of additional
4389         restrictions on the formation of type instance declarations (c.f.,
4390         Definition 5 (Relaxed Conditions) of &ldquo;<ulink 
4391         url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4392           Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;).  Instance
4393           declarations have the general form 
4394 <programlisting>
4395 type instance F t1 .. tn = t
4396 </programlisting>
4397         where we require that for every type family application <literal>(G s1
4398         .. sm)</literal> in <literal>t</literal>,  
4399         <orderedlist>
4400           <listitem>
4401             <para><literal>s1 .. sm</literal> do not contain any type family
4402             constructors,</para>
4403           </listitem>
4404           <listitem>
4405             <para>the total number of symbols (data type constructors and type
4406             variables) in <literal>s1 .. sm</literal> is strictly smaller than
4407             in <literal>t1 .. tn</literal>, and</para> 
4408           </listitem>
4409           <listitem>
4410             <para>for every type
4411             variable <literal>a</literal>, <literal>a</literal> occurs
4412             in <literal>s1 .. sm</literal> at most as often as in <literal>t1
4413             .. tn</literal>.</para>
4414           </listitem>
4415         </orderedlist>
4416         These restrictions are easily verified and ensure termination of type
4417         inference.  However, they are not sufficient to guarantee completeness
4418         of type inference in the presence of, so called, ''loopy equalities'',
4419         such as <literal>a ~ [F a]</literal>, where a recursive occurrence of
4420         a type variable is underneath a family application and data
4421         constructor application - see the above mentioned paper for details.   
4422       </para>
4423       <para>
4424         If the option <option>-XUndecidableInstances</option> is passed to the
4425         compiler, the above restrictions are not enforced and it is on the
4426         programmer to ensure termination of the normalisation of type families
4427         during type inference. 
4428       </para>
4429     </sect4>
4430   </sect3>
4431
4432   <sect3 id-="equality-constraints">
4433     <title>Equality constraints</title>
4434     <para>
4435       Type context can include equality constraints of the form <literal>t1 ~
4436       t2</literal>, which denote that the types <literal>t1</literal>
4437       and <literal>t2</literal> need to be the same.  In the presence of type
4438       families, whether two types are equal cannot generally be decided
4439       locally.  Hence, the contexts of function signatures may include
4440       equality constraints, as in the following example: 
4441 <programlisting>
4442 sumCollects :: (Collects c1, Collects c2, Elem c1 ~ Elem c2) => c1 -> c2 -> c2
4443 </programlisting>
4444       where we require that the element type of <literal>c1</literal>
4445       and <literal>c2</literal> are the same.  In general, the
4446       types <literal>t1</literal> and <literal>t2</literal> of an equality
4447       constraint may be arbitrary monotypes; i.e., they may not contain any
4448       quantifiers, independent of whether higher-rank types are otherwise
4449       enabled. 
4450     </para>
4451     <para>
4452       Equality constraints can also appear in class and instance contexts.
4453       The former enable a simple translation of programs using functional
4454       dependencies into programs using family synonyms instead.  The general
4455       idea is to rewrite a class declaration of the form 
4456 <programlisting>
4457 class C a b | a -> b
4458 </programlisting>
4459       to
4460 <programlisting>
4461 class (F a ~ b) => C a b where
4462   type F a
4463 </programlisting>
4464       That is, we represent every functional dependency (FD) <literal>a1 .. an
4465       -> b</literal> by an FD type family <literal>F a1 .. an</literal> and a
4466       superclass context equality <literal>F a1 .. an ~ b</literal>,
4467       essentially giving a name to the functional dependency.  In class
4468       instances, we define the type instances of FD families in accordance
4469       with the class head.  Method signatures are not affected by that
4470       process. 
4471     </para>
4472     <para>
4473       NB: Equalities in superclass contexts are not fully implemented in
4474       GHC 6.10. 
4475     </para>
4476   </sect3>
4477
4478   <sect3 id-="ty-fams-in-instances">
4479     <title>Type families and instance declarations</title>
4480     <para>Type families require us to extend the rules for 
4481       the form of instance heads, which are given 
4482       in <xref linkend="flexible-instance-head"/>.
4483       Specifically:
4484 <itemizedlist>
4485  <listitem><para>Data type families may appear in an instance head</para></listitem>
4486  <listitem><para>Type synonym families may not appear (at all) in an instance head</para></listitem>
4487 </itemizedlist>
4488 The reason for the latter restriction is that there is no way to check for. Consider
4489 <programlisting>
4490    type family F a
4491    type instance F Bool = Int
4492
4493    class C a
4494
4495    instance C Int
4496    instance C (F a)
4497 </programlisting>
4498 Now a constraint <literal>(C (F Bool))</literal> would match both instances.
4499 The situation is especially bad because the type instance for <literal>F Bool</literal>
4500 might be in another module, or even in a module that is not yet written.
4501 </para>
4502 </sect3>
4503 </sect2>
4504
4505 </sect1>
4506
4507 <sect1 id="other-type-extensions">
4508 <title>Other type system extensions</title>
4509
4510 <sect2 id="type-restrictions">
4511 <title>Type signatures</title>
4512
4513 <sect3 id="flexible-contexts"><title>The context of a type signature</title>
4514 <para>
4515 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag lifts the Haskell 98 restriction
4516 that the type-class constraints in a type signature must have the 
4517 form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
4518 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>. 
4519 With <option>-XFlexibleContexts</option>
4520 these type signatures are perfectly OK
4521 <programlisting>
4522   g :: Eq [a] => ...
4523   g :: Ord (T a ()) => ...
4524 </programlisting>
4525 </para>
4526 <para>
4527 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
4528 Consider the type:
4529
4530 <programlisting>
4531   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
4532 </programlisting>
4533
4534 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
4535 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
4536 explicit source-language type signature are universally quantified,
4537 except for the class type variables in a class declaration.  However,
4538 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
4539 </para>
4540
4541 <para>
4542
4543 <orderedlist>
4544 <listitem>
4545
4546 <para>
4547  <emphasis>Each universally quantified type variable
4548 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
4549
4550 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it appears
4551 in the same constraint as either a type variable free in
4552 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
4553 A value with a type that does not obey 
4554 this reachability restriction cannot be used without introducing
4555 ambiguity; that is why the type is rejected.
4556 Here, for example, is an illegal type:
4557
4558
4559 <programlisting>
4560   forall a. Eq a => Int
4561 </programlisting>
4562
4563
4564 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
4565 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
4566 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
4567 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
4568 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
4569 get any more information about <literal>tv</literal>.
4570 </para>
4571 <para>
4572 Note
4573 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
4574 functionally dependent on a type variable free in
4575 <literal>type</literal> (see <xref
4576 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
4577 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
4578 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
4579 For example, consider:
4580 <programlisting>
4581   class C a b | a -> b where ...
4582   class C a b => D a b where ...
4583   f :: forall a b. D a b => a -> a
4584 </programlisting>
4585 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
4586 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
4587 </para>
4588 </listitem>
4589 <listitem>
4590
4591 <para>
4592  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
4593 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
4594
4595 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
4596 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
4597
4598
4599 <programlisting>
4600   forall a. C a b => burble
4601 </programlisting>
4602
4603
4604 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
4605 mention <literal>a</literal>:
4606
4607
4608 <programlisting>
4609   forall a. Eq b => burble
4610 </programlisting>
4611
4612
4613 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
4614 excluded types are never useful or necessary (because the offending
4615 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
4616 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
4617 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
4618 territory free in case we need it later.
4619
4620 </para>
4621 </listitem>
4622
4623 </orderedlist>
4624
4625 </para>
4626 </sect3>
4627
4628
4629
4630 </sect2>
4631
4632 <sect2 id="implicit-parameters">
4633 <title>Implicit parameters</title>
4634
4635 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
4636 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
4637 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
4638 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
4639 Boston, Jan 2000.
4640 </para>
4641
4642 <para>(Most of the following, still rather incomplete, documentation is
4643 due to Jeff Lewis.)</para>
4644
4645 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
4646 <option>-XImplicitParams</option>.</para>
4647
4648 <para>
4649 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
4650 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
4651 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
4652 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
4653 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
4654 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
4655 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
4656 only support static scoping of variables.
4657 </para>
4658 <para>
4659 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
4660 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
4661 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
4662 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
4663 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
4664 of type <literal>t'</literal>". For
4665 example, the following expresses the type of a sort function,
4666 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
4667 <programlisting>
4668   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4669 </programlisting>
4670 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
4671 </para>
4672 <para>
4673 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
4674 where <literal>x</literal> is
4675 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
4676 Use of this construct also introduces a new
4677 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
4678 For example, the following definition
4679 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
4680 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
4681 <programlisting>
4682   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
4683
4684   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4685   sort    = sortBy ?cmp
4686 </programlisting>
4687 </para>
4688
4689 <sect3>
4690 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
4691 <para>
4692 Dynamic binding constraints behave just like other type class
4693 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
4694 function is used, its implicit parameters are inherited by the
4695 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
4696 to pick out the least value in a list:
4697 <programlisting>
4698   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
4699   least xs = head (sort xs)
4700 </programlisting>
4701 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
4702 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
4703 parameters, the default is that parameters must always be explicit
4704 propagated. With implicit parameters, the default is to always
4705 propagate them.
4706 </para>
4707 <para>
4708 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
4709 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
4710 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
4711 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
4712 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
4713 class constraints.
4714 </para>
4715
4716 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
4717 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
4718 <programlisting>
4719   class (?x::Int) => C a where ...
4720   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
4721 </programlisting>
4722 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
4723 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
4724 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
4725 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
4726 <para>
4727 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
4728 <programlisting>
4729    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
4730    f n = n + length ?x
4731
4732    g :: (Read a, Show a) => String -> String
4733    g s = show (read s)
4734 </programlisting>
4735 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
4736 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
4737 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
4738 </para>
4739 </sect3>
4740
4741 <sect3>
4742 <title>Implicit-parameter bindings</title>
4743
4744 <para>
4745 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
4746 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
4747 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
4748 <literal>cmp</literal>.
4749 <programlisting>
4750   min :: [a] -> a
4751   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
4752 </programlisting>
4753 </para>
4754 <para>
4755 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
4756 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
4757 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
4758 or a <literal>where</literal> clause.
4759 Note the following points:
4760 <itemizedlist>
4761 <listitem><para>
4762 An implicit-parameter binding group must be a
4763 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
4764 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
4765 neither polymorphic or recursive.  
4766 </para></listitem>
4767 <listitem><para>
4768 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
4769 single <literal>let</literal>
4770 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
4771 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
4772 </para></listitem>
4773
4774 <listitem><para>
4775 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
4776 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
4777 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
4778 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
4779 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
4780 the meaning of the program.
4781 For example, consider:
4782 <programlisting>
4783   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
4784 </programlisting>
4785 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
4786 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
4787 <programlisting>
4788   f :: (?x::Int) => Int -> Int
4789 </programlisting>
4790 </para></listitem>
4791 </itemizedlist>
4792 </para>
4793
4794 </sect3>
4795
4796 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
4797
4798 <para>
4799 Consider these two definitions:
4800 <programlisting>
4801   len1 :: [a] -> Int
4802   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
4803
4804   len_acc1 [] = ?acc
4805   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
4806
4807   ------------
4808
4809   len2 :: [a] -> Int
4810   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
4811
4812   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
4813   len_acc2 [] = ?acc
4814   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
4815 </programlisting>
4816 The only difference between the two groups is that in the second group
4817 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
4818 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
4819 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
4820 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
4821 has a type signature, the recursive call is made to the
4822 <emphasis>polymorphic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
4823 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
4824 <programlisting>
4825   Prog> len1 "hello"
4826   0
4827   Prog> len2 "hello"
4828   5
4829 </programlisting>
4830 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
4831 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
4832 </para>
4833 </sect3>
4834
4835 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
4836
4837 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
4838 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
4839 <programlisting>
4840  f :: Int -> Int
4841   f v = let ?x = 0     in
4842         let y = ?x + v in
4843         let ?x = 5     in
4844         y
4845 </programlisting>
4846 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
4847 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
4848 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
4849 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
4850 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
4851 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
4852 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
4853 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
4854 <literal>14</literal>.
4855 </para>
4856 </sect3>
4857 </sect2>
4858
4859     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
4860
4861     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
4862     them from the 6.6 user manual
4863
4864 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
4865 <title>Linear implicit parameters</title>
4866 <para>
4867 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
4868 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
4869 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
4870 </para>
4871 <itemizedlist>
4872 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
4873 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
4874 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
4875 </itemizedlist>
4876
4877 <para>
4878 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
4879 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
4880 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
4881 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
4882 (The '/' in the '%' suggests the split!)
4883 </para>
4884 <para>
4885 For example:
4886 <programlisting>
4887     import GHC.Exts( Splittable )
4888
4889     data NameSupply = ...
4890     
4891     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
4892     newName :: NameSupply -> Name
4893
4894     instance Splittable NameSupply where
4895         split = splitNS
4896
4897
4898     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
4899     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
4900                     where
4901                       x'   = newName %ns
4902                       env' = extend env x x'
4903     ...more equations for f...
4904 </programlisting>
4905 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
4906 <itemizedlist>
4907 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
4908 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
4909 </itemizedlist>
4910 </para>
4911 <para>
4912 So the translation done by the type checker makes
4913 the parameter explicit:
4914 <programlisting>
4915     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
4916     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
4917                        where
4918                          (ns1,ns2) = splitNS ns
4919                          x' = newName ns2
4920                          env = extend env x x'
4921 </programlisting>
4922 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
4923 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
4924 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
4925 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
4926 <programlisting>
4927         class Splittable a where
4928           split :: a -> (a,a)
4929 </programlisting>
4930 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
4931 split for name supplies.  But we can simply write
4932 <programlisting>
4933         g x = (x, %ns, %ns)
4934 </programlisting>
4935 and GHC will infer
4936 <programlisting>
4937         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
4938 </programlisting>
4939 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
4940 <literal>GHC.Exts</literal>.
4941 </para>
4942 <para>
4943 Other points:
4944 <itemizedlist>
4945 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
4946 are entirely distinct implicit parameters: you 
4947   can use them together and they won't interfere with each other. </para>
4948 </listitem>
4949
4950 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
4951
4952 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
4953   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
4954 </itemizedlist>
4955 </para>
4956
4957 <sect3><title>Warnings</title>
4958
4959 <para>
4960 The monomorphism restriction is even more important than usual.
4961 Consider the example above:
4962 <programlisting>
4963     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
4964     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
4965                     where
4966                       x'   = newName %ns
4967                       env' = extend env x x'
4968 </programlisting>
4969 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
4970 usually a harmless thing to do, we get:
4971 <programlisting>
4972     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
4973     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
4974                     where
4975                       env' = extend env x (newName %ns)
4976 </programlisting>
4977 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
4978 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
4979 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
4980 the beta rule.
4981 </para>
4982 <para>
4983 Well, this is an experimental change.  With implicit
4984 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
4985 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
4986 Haskell programs without knowing their typing.
4987 </para>
4988
4989 </sect3>
4990
4991 <sect3><title>Recursive functions</title>
4992 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
4993 Consider
4994 <programlisting>
4995         foo :: %x::T => Int -> [Int]
4996         foo 0 = []
4997         foo n = %x : foo (n-1)
4998 </programlisting>
4999 where T is some type in class Splittable.</para>
5000 <para>
5001 Do you get a list of all the same T's or all different T's
5002 (assuming that split gives two distinct T's back)?
5003 </para><para>
5004 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
5005 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
5006 translated term, where the implicit param is made explicit:
5007 <programlisting>
5008         foo x 0 = []
5009         foo x n = let (x1,x2) = split x
5010                   in x1 : foo x2 (n-1)
5011 </programlisting>
5012 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
5013 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
5014 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
5015 work.  So the translation becomes
5016 <programlisting>
5017         foo x = let
5018                   foom 0 = []
5019                   foom n = x : foom (n-1)
5020                 in
5021                 foom
5022 </programlisting>
5023 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
5024 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
5025 Yikes!
5026 </para><para>
5027 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
5028 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
5029 </para>
5030 </sect3>
5031
5032 </sect2>
5033
5034 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
5035
5036 <sect2 id="kinding">
5037 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
5038
5039 <para>
5040 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
5041 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
5042 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
5043 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
5044 John Hughes had to define the data type:
5045 <screen>
5046      data Set cxt a = Set [a]
5047                     | Unused (cxt a -> ())
5048 </screen>
5049 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
5050 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
5051 </para>
5052 <para>
5053 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
5054 a type variable is explicitly bound, with the flag <option>-XKindSignatures</option>.
5055 </para>
5056 <para>
5057 This flag enables kind signatures in the following places:
5058 <itemizedlist>
5059 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
5060 <screen>
5061   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
5062 </screen></para></listitem>
5063 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
5064 <screen>
5065   type T (f :: * -> *) = f Int
5066 </screen></para></listitem>
5067 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
5068 <screen>
5069   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
5070 </screen></para></listitem>
5071 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
5072 <screen>
5073   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
5074 </screen></para></listitem>
5075 </itemizedlist>
5076 </para>
5077
5078 <para>
5079 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
5080 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
5081 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
5082 single lexeme in Haskell.
5083 </para>
5084
5085 <para>
5086 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
5087 as well.  Thus:
5088 <screen>
5089    f :: (Int :: *) -> Int
5090    g :: forall a. a -> (a :: *)
5091 </screen>
5092 The syntax is
5093 <screen>
5094    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
5095 </screen>
5096 The parentheses are required.
5097 </para>
5098 </sect2>
5099
5100
5101 <sect2 id="universal-quantification">
5102 <title>Arbitrary-rank polymorphism
5103 </title>
5104
5105 <para>
5106 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
5107 allows us to say exactly what this means.  For example:
5108 </para>
5109 <para>
5110 <programlisting>
5111         g :: b -> b
5112 </programlisting>
5113 means this:
5114 <programlisting>
5115         g :: forall b. (b -> b)
5116 </programlisting>
5117 The two are treated identically.
5118 </para>
5119
5120 <para>
5121 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
5122 explicit universal quantification in
5123 types. 
5124 For example, all the following types are legal:
5125 <programlisting>
5126     f1 :: forall a b. a -> b -> a
5127     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
5128
5129     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
5130     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
5131
5132     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
5133
5134     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
5135 </programlisting>
5136 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
5137 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
5138 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
5139 is implicitly added by Haskell.
5140 </para>
5141 <para>
5142 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
5143 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
5144 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
5145 </para>
5146 <para>
5147 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
5148 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
5149 </para>
5150 <para>
5151 GHC has three flags to control higher-rank types:
5152 <itemizedlist>
5153 <listitem><para>
5154  <option>-XPolymorphicComponents</option>: data constructors (only) can have polymorphic argument types.
5155 </para></listitem>
5156 <listitem><para>
5157  <option>-XRank2Types</option>: any function (including data constructors) can have a rank-2 type.
5158 </para></listitem>
5159 <listitem><para>
5160  <option>-XRankNTypes</option>: any function (including data constructors) can have an arbitrary-rank type.
5161 That is,  you can nest <literal>forall</literal>s
5162 arbitrarily deep in function arrows.
5163 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
5164 including an operational type class context, is legal:
5165 <itemizedlist>
5166 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
5167 of a function arrow </para> </listitem>
5168 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
5169 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
5170 field type signatures.</para> </listitem>
5171 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
5172 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
5173 </itemizedlist>
5174 </para></listitem>
5175 </itemizedlist>
5176 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
5177 a type variable any more!
5178 </para>
5179
5180
5181 <sect3 id="univ">
5182 <title>Examples
5183 </title>
5184
5185 <para>
5186 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
5187 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
5188 </para>
5189
5190 <para>
5191
5192 <programlisting>
5193 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
5194
5195 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
5196                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
5197                         }
5198
5199 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
5200 </programlisting>
5201
5202 </para>
5203
5204 <para>
5205 The constructors have rank-2 types:
5206 </para>
5207
5208 <para>
5209
5210 <programlisting>
5211 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
5212 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
5213                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
5214                   -> MonadT m
5215 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
5216 </programlisting>
5217
5218 </para>
5219
5220 <para>
5221 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
5222 explicit context.  For example in the first argument of the
5223 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
5224 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
5225 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
5226 mentioned in the type quantified over.
5227 </para>
5228
5229 <para>
5230 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
5231 types too.  So if you write this:
5232
5233 <programlisting>
5234   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
5235 </programlisting>
5236
5237 it's just as if you had written this:
5238
5239 <programlisting>
5240   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
5241 </programlisting>
5242
5243 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
5244 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
5245 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
5246 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
5247 </para>
5248
5249 <para>
5250 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
5251 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
5252 </para>
5253
5254 <para>
5255
5256 <programlisting>
5257     a1 :: T Int
5258     a1 = T1 (\xy->x) 3
5259     
5260     a2, a3 :: Swizzle
5261     a2 = MkSwizzle sort
5262     a3 = MkSwizzle reverse
5263     
5264     a4 :: MonadT Maybe
5265     a4 = let r x = Just x
5266              b m k = case m of
5267                        Just y -> k y
5268                        Nothing -> Nothing
5269          in
5270          MkMonad r b
5271
5272     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
5273     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
5274 </programlisting>
5275
5276 </para>
5277
5278 <para>
5279 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
5280 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
5281 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
5282 </para>
5283
5284 <para>
5285 When you use pattern matching, the bound variables may now have
5286 polymorphic types.  For example:
5287 </para>
5288
5289 <para>
5290
5291 <programlisting>
5292     f :: T a -> a -> (a, Char)
5293     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5294
5295     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
5296     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
5297
5298     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
5299     h m [] = return m []
5300     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
5301                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
5302                  return m (y:ys)
5303 </programlisting>
5304
5305 </para>
5306
5307 <para>
5308 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
5309 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
5310 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
5311 matching.
5312 </para>
5313 </sect3>
5314
5315 <sect3>
5316 <title>Type inference</title>
5317
5318 <para>
5319 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
5320 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
5321 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
5322 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
5323 </para>
5324 <para>
5325 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
5326 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
5327 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
5328 </para>
5329 <para>
5330 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
5331 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
5332 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
5333 <programlisting>
5334      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
5335 </programlisting>
5336 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
5337 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
5338 <programlisting>
5339      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5340 </programlisting>
5341 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
5342 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
5343 one can give a type signature for the function itself:
5344 <programlisting>
5345      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5346      h f = (f True, f 'c')
5347 </programlisting>
5348 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
5349 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
5350 <programlisting>
5351     f :: T a -> a -> (a, Char)
5352     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5353 </programlisting>
5354 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
5355 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
5356 it needs to know.
5357 </para>
5358
5359 </sect3>
5360
5361
5362 <sect3 id="implicit-quant">
5363 <title>Implicit quantification</title>
5364
5365 <para>
5366 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
5367 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
5368 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
5369 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
5370 equivalent:
5371 <programlisting>
5372   f :: a -> a
5373   f :: forall a. a -> a
5374
5375   g (x::a) = let
5376                 h :: a -> b -> b
5377                 h x y = y
5378              in ...
5379   g (x::a) = let
5380                 h :: forall b. a -> b -> b
5381                 h x y = y
5382              in ...
5383 </programlisting>
5384 </para>
5385 <para>
5386 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
5387 point.  For example:
5388 <programlisting>
5389   f :: (a -> a) -> Int
5390            -- MEANS
5391   f :: forall a. (a -> a) -> Int
5392            -- NOT
5393   f :: (forall a. a -> a) -> Int
5394
5395
5396   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
5397            -- MEANS the illegal type
5398   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
5399            -- NOT
5400   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
5401 </programlisting>
5402 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
5403 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
5404 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
5405 for rank-2 types.
5406 </para>
5407 </sect3>
5408 </sect2>
5409
5410
5411 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
5412 <title>Impredicative polymorphism
5413 </title>
5414 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>, 
5415 enabled with <option>-XImpredicativeTypes</option>.  
5416 This means
5417 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
5418 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
5419 <programlisting>
5420   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
5421   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
5422   f Nothing  = Nothing
5423 </programlisting>
5424 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
5425 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
5426 [a])</literal>.
5427 </para>
5428 <para>The technical details of this extension are described in the paper
5429 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy/">Boxy types:
5430 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
5431 which appeared at ICFP 2006.  
5432 </para>
5433 </sect2>
5434
5435 <sect2 id="scoped-type-variables">
5436 <title>Lexically scoped type variables
5437 </title>
5438
5439 <para>
5440 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
5441 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
5442 <programlisting>
5443 f :: forall a. [a] -> [a]
5444 f xs = ys ++ ys
5445      where
5446        ys :: [a]
5447        ys = reverse xs
5448 </programlisting>
5449 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope,
5450 because of the explicit <literal>forall</literal> (<xref linkend="decl-type-sigs"/>).
5451 The type variables bound by a <literal>forall</literal> scope over
5452 the entire definition of the accompanying value declaration.
5453 In this example, the type variable <literal>a</literal> scopes over the whole 
5454 definition of <literal>f</literal>, including over
5455 the type signature for <varname>ys</varname>. 
5456 In Haskell 98 it is not possible to declare
5457 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
5458 it becomes possible to do so.
5459 </para>
5460 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
5461 <option>-XScopedTypeVariables</option>.  This flag implies <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
5462 </para>
5463 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
5464 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
5465 carefully!</para>
5466
5467 <sect3>
5468 <title>Overview</title>
5469
5470 <para>The design follows the following principles
5471 <itemizedlist>
5472 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
5473 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
5474 design.)</para></listitem>
5475 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
5476 type variables.  This means that every programmer-written type signature
5477 (including one that contains free scoped type variables) denotes a
5478 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
5479 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
5480 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
5481 changing the program.</para></listitem>
5482 </itemizedlist>
5483 </para>
5484 <para>
5485 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
5486 <itemizedlist>
5487 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
5488 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
5489 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
5490 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
5491 </itemizedlist>
5492 </para>
5493 <para>
5494 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantified over
5495 its free type variables (<ulink
5496 url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
5497 4.1.2</ulink> 
5498 of the Haskell Report).
5499 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
5500 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
5501 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
5502 then
5503 <programlisting>
5504   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
5505   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
5506   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
5507 </programlisting>
5508 </para>
5509
5510
5511 </sect3>
5512
5513
5514 <sect3 id="decl-type-sigs">
5515 <title>Declaration type signatures</title>
5516 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5517 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5518 explicitly-quantified
5519 type variables, in the definition of the named function.  For example:
5520 <programlisting>
5521   f :: forall a. [a] -> [a]
5522   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5523 </programlisting>
5524 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
5525 the definition of "<literal>f</literal>".
5526 </para>
5527 <para>This only happens if:
5528 <itemizedlist>
5529 <listitem><para> The quantification in <literal>f</literal>'s type
5530 signature is explicit.  For example:
5531 <programlisting>
5532   g :: [a] -> [a]
5533   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5534 </programlisting>
5535 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
5536 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
5537 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
5538 quantification rules.
5539 </para></listitem>
5540 <listitem><para> The signature gives a type for a function binding or a bare variable binding, 
5541 not a pattern binding.
5542 For example:
5543 <programlisting>
5544   f1 :: forall a. [a] -> [a]
5545   f1 (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5546
5547   f2 :: forall a. [a] -> [a]
5548   f2 = \(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5549
5550   f3 :: forall a. [a] -> [a] 
5551   Just f3 = Just (\(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ])   -- Not OK!
5552 </programlisting>
5553 The binding for <literal>f3</literal> is a pattern binding, and so its type signature
5554 does not bring <literal>a</literal> into scope.   However <literal>f1</literal> is a
5555 function binding, and <literal>f2</literal> binds a bare variable; in both cases
5556 the type signature brings <literal>a</literal> into scope.
5557 </para></listitem>
5558 </itemizedlist>
5559 </para>
5560 </sect3>
5561
5562 <sect3 id="exp-type-sigs">
5563 <title>Expression type signatures</title>
5564
5565 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5566 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5567 explicitly-quantified
5568 type variables, in the annotated expression.  For example:
5569 <programlisting>
5570   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
5571 </programlisting>
5572 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
5573 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
5574 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
5575 </para>
5576
5577 </sect3>
5578
5579 <sect3 id="pattern-type-sigs">
5580 <title>Pattern type signatures</title>
5581 <para>
5582 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
5583 signature</emphasis>. 
5584 For example:
5585 <programlisting>
5586   -- f and g assume that 'a' is already in scope
5587   f = \(x::Int, y::a) -> x
5588   g (x::a) = x
5589   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
5590 </programlisting>
5591 In the case where all the type variables in the pattern type signature are
5592 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
5593 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
5594 </para>
5595 <para>
5596 Unlike expression and declaration type signatures, pattern type signatures are not implicitly generalised.
5597 The pattern in a <emphasis>pattern binding</emphasis> may only mention type variables
5598 that are already in scope.  For example:
5599 <programlisting>
5600   f :: forall a. [a] -> (Int, [a])
5601   f xs = (n, zs)
5602     where
5603       (ys::[a], n) = (reverse xs, length xs) -- OK
5604       zs::[a] = xs ++ ys                     -- OK
5605
5606       Just (v::b) = ...  -- Not OK; b is not in scope
5607 </programlisting>
5608 Here, the pattern signatures for <literal>ys</literal> and <literal>zs</literal>
5609 are fine, but the one for <literal>v</literal> is not because <literal>b</literal> is
5610 not in scope. 
5611 </para>
5612 <para>
5613 However, in all patterns <emphasis>other</emphasis> than pattern bindings, a pattern
5614 type signature may mention a type variable that is not in scope; in this case,
5615 <emphasis>the signature brings that type variable into scope</emphasis>.
5616 This is particularly important for existential data constructors.  For example:
5617 <programlisting>
5618   data T = forall a. MkT [a]
5619
5620   k :: T -> T
5621   k (MkT [t::a]) = MkT t3
5622                  where
5623                    t3::[a] = [t,t,t]
5624 </programlisting>
5625 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
5626 variable that is not already in scope.  Indeed, it <emphasis>cannot</emphasis> already be in scope,
5627 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
5628 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
5629 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
5630 existentially-bound type variable.
5631 </para>
5632 <para>
5633 When a pattern type signature binds a type variable in this way, GHC insists that the 
5634 type variable is bound to a <emphasis>rigid</emphasis>, or fully-known, type variable.
5635 This means that any user-written type signature always stands for a completely known type.
5636 </para>
5637 <para>
5638 If all this seems a little odd, we think so too.  But we must have
5639 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
5640 could not name existentially-bound type variables in subsequent type signatures.
5641 </para>
5642 <para>
5643 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
5644 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
5645 scope.
5646 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
5647 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
5648 </para>
5649
5650
5651 </sect3>
5652
5653 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
5654
5655 <sect3 id="result-type-sigs">
5656 <title>Result type signatures</title>
5657
5658 <para>
5659 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
5660
5661 <programlisting>
5662   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5663   f x y :: [a] = [x,y,x]
5664
5665   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
5666
5667   h :: forall a. [a] -> a
5668   h xs = case xs of
5669             (y:ys) :: a -> y
5670 </programlisting>
5671 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
5672 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
5673 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
5674 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
5675 </para>
5676 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
5677 <para>
5678 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
5679 examples would parse quite differently with parentheses:
5680 <programlisting>
5681   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5682   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
5683
5684   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
5685
5686   h :: forall a. [a] -> a
5687   h xs = case xs of
5688             ((y:ys) :: a) -> y
5689 </programlisting>
5690 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
5691 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
5692 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
5693
5694 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
5695 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
5696 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
5697 consider how one would parse this:
5698 <programlisting>
5699   \ x :: a -> b -> x
5700 </programlisting>
5701 </para>
5702 </sect3>
5703
5704  -->
5705
5706 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
5707 <title>Class and instance declarations</title>
5708 <para>
5709
5710 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
5711 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
5712
5713
5714 <programlisting>
5715   class C a where
5716     op :: [a] -> a
5717
5718     op xs = let ys::[a]
5719                 ys = reverse xs
5720             in
5721             head ys
5722 </programlisting>
5723 </para>
5724 </sect3>
5725
5726 </sect2>
5727
5728
5729 <sect2 id="typing-binds">
5730 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
5731
5732 <para>
5733 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
5734 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
5735 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
5736 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
5737 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
5738 As each group is type-checked, any binders of the group that
5739 have
5740 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
5741 polymorphic type,
5742 and all others are monomorphic until the group is generalised 
5743 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
5744 </para>
5745
5746 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
5747 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/424440.html">Typing Haskell in
5748 Haskell</ulink>,
5749 GHC implements a more general scheme.  If <option>-XRelaxedPolyRec</option> is
5750 specified:
5751 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
5752 type signature</emphasis>.
5753 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
5754 typecheck.  For example, consider:
5755 <programlisting>
5756   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
5757   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
5758   
5759   g y = (y &lt;= y) || f True
5760 </programlisting>
5761 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
5762 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
5763 <literal>f</literal>,
5764 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
5765 hand side is ignored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
5766 type is generalised, to get
5767 <programlisting>
5768   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
5769 </programlisting>
5770 Now, the definition for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
5771 <literal>g</literal> in the type environment.
5772 </para>
5773
5774 <para>
5775 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
5776 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
5777 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
5778 <option>-XRelaxedPolyRec</option>
5779 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
5780 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
5781 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
5782 <programlisting>
5783   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
5784   f x = (x == x) || g True
5785   
5786   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
5787   g y = (y &lt;= y) || f True
5788 </programlisting>
5789 </para>
5790 </sect2>
5791
5792 </sect1>
5793 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
5794   
5795 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
5796
5797 <sect1 id="template-haskell">
5798 <title>Template Haskell</title>
5799
5800 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
5801 Haskell.  
5802 The background to
5803 the main technical innovations is discussed in "<ulink
5804 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/">
5805 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
5806 </para>
5807 <para>
5808 There is a Wiki page about
5809 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
5810 http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell</ulink>, and that is the best place to look for
5811 further details.
5812 You may also 
5813 consult the <ulink
5814 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
5815 Haskell library reference material</ulink> 
5816 (look for module <literal>Language.Haskell.TH</literal>).
5817 Many changes to the original design are described in 
5818       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/notes2.ps">
5819 Notes on Template Haskell version 2</ulink>.
5820 Not all of these changes are in GHC, however.
5821 </para>
5822
5823 <para> The first example from that paper is set out below (<xref linkend="th-example"/>) 
5824 as a worked example to help get you started. 
5825 </para>
5826
5827 <para>
5828 The documentation here describes the realisation of Template Haskell in GHC.  It is not detailed enough to 
5829 understand Template Haskell; see the <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
5830 Wiki page</ulink>.
5831 </para>
5832
5833     <sect2>
5834       <title>Syntax</title>
5835
5836       <para> Template Haskell has the following new syntactic
5837       constructions.  You need to use the flag
5838       <option>-XTemplateHaskell</option>
5839         <indexterm><primary><option>-XTemplateHaskell</option></primary>
5840       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
5841       (<option>-XTemplateHaskell</option> is no longer implied by
5842       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
5843
5844         <itemizedlist>
5845               <listitem><para>
5846                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
5847                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
5848                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
5849                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
5850                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
5851                   </para>
5852               <para> A splice can occur in place of 
5853                   <itemizedlist>
5854                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
5855                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
5856                     <listitem><para> a list of top-level declarations; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
5857                     </itemizedlist>
5858                 </para>
5859             Inside a splice you can can only call functions defined in imported modules,
5860         not functions defined elsewhere in the same module.</listitem>
5861
5862
5863               <listitem><para>
5864                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
5865                   <itemizedlist>
5866                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
5867                              the quotation has type <literal>Q Exp</literal>.</para></listitem>
5868                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
5869                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
5870                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;
5871                              the quotation has type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
5872                   </itemizedlist></para></listitem>
5873
5874               <listitem><para>
5875                   A quasi-quotation can appear in either a pattern context or an
5876                   expression context and is also written in Oxford brackets:
5877                   <itemizedlist>
5878                     <listitem><para> <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>| ... |]</literal>,
5879                         where the "..." is an arbitrary string; a full description of the
5880                         quasi-quotation facility is given in <xref linkend="th-quasiquotation"/>.</para></listitem>
5881                   </itemizedlist></para></listitem>
5882
5883               <listitem><para>
5884                   A name can be quoted with either one or two prefix single quotes:
5885                   <itemizedlist>
5886                     <listitem><para> <literal>'f</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the function <literal>f</literal>.
5887                   Similarly <literal>'C</literal> has type <literal>Name</literal> and names the data constructor <literal>C</literal>.
5888                   In general <literal>'</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in an expression context.
5889                      </para></listitem> 
5890                     <listitem><para> <literal>''T</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the type constructor  <literal>T</literal>.
5891                   That is, <literal>''</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in a type context.
5892                      </para></listitem> 
5893                   </itemizedlist>
5894                   These <literal>Names</literal> can be used to construct Template Haskell expressions, patterns, declarations etc.  They
5895                   may also be given as an argument to the <literal>reify</literal> function.
5896                  </para>
5897                 </listitem>
5898
5899                   
5900         </itemizedlist>
5901 (Compared to the original paper, there are many differences of detail.
5902 The syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>".
5903 The type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>.
5904 Type splices are not implemented, and neither are pattern splices or quotations.
5905
5906 </sect2>
5907
5908 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
5909 <para>
5910 <itemizedlist>
5911     <listitem><para>
5912     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
5913     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
5914     </para></listitem>
5915
5916     <listitem><para>
5917     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
5918             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
5919             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
5920    </para></listitem>
5921
5922    <listitem><para>
5923    You can only run a function at compile time if it is imported
5924    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
5925    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  Furthermore, all of the modules of 
5926    the mutually-recursive group must be reachable by non-SOURCE imports from the module where the
5927    splice is to be run.</para>
5928    <para>
5929    For example, when compiling module A,
5930    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
5931    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
5932    </para></listitem>
5933
5934     <listitem><para>
5935             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
5936    </para></listitem>
5937     <listitem><para>
5938             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
5939               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
5940               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
5941               the program it compiles produces results whose representations are identical to
5942               those of the compiler itself.
5943    </para></listitem>
5944 </itemizedlist>
5945 </para>
5946 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
5947         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
5948         has been lifted.
5949 </para>
5950 </sect2>
5951  
5952 <sect2 id="th-example">  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
5953 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
5954   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
5955
5956 <programlisting>
5957
5958 {- Main.hs -}
5959 module Main where
5960
5961 -- Import our template "pr"
5962 import Printf ( pr )
5963
5964 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
5965 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
5966 -- the argument of "putStrLn".
5967 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
5968
5969
5970 {- Printf.hs -}
5971 module Printf where
5972
5973 -- Skeletal printf from the paper.
5974 -- It needs to be in a separate module to the one where
5975 -- you intend to use it.
5976
5977 -- Import some Template Haskell syntax
5978 import Language.Haskell.TH
5979
5980 -- Describe a format string
5981 data Format = D | S | L String
5982
5983 -- Parse a format string.  This is left largely to you
5984 -- as we are here interested in building our first ever
5985 -- Template Haskell program and not in building printf.
5986 parse :: String -> [Format]
5987 parse s   = [ L s ]
5988
5989 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
5990 -- of the format string.  This code will be spliced into
5991 -- the module which calls "pr", at compile time.
5992 gen :: [Format] -> Q Exp
5993 gen [D]   = [| \n -> show n |]
5994 gen [S]   = [| \s -> s |]
5995 gen [L s] = stringE s
5996
5997 -- Here we generate the Haskell code for the splice
5998 -- from an input format string.
5999 pr :: String -> Q Exp
6000 pr s = gen (parse s)
6001 </programlisting>
6002
6003 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
6004 </para>
6005 <programlisting>
6006 $ ghc --make -XTemplateHaskell main.hs -o main.exe
6007 </programlisting>
6008
6009 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
6010
6011 <programlisting>
6012 $ ./main
6013 Hello
6014 </programlisting>
6015
6016 </sect2>
6017
6018 <sect2>
6019 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
6020 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
6021  
6022 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
6023 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
6024 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
6025 itself is running; this means that the compiled code referred to by
6026 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
6027 in particular this means that object code that is compiled for
6028 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
6029 expression, because profiled object code is only compatible with the
6030 profiling version of the runtime.</para>
6031
6032 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
6033 containing Template Haskell code and you need to compile it for
6034 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
6035 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
6036 The basic idea is to compile the program twice:</para>
6037
6038 <orderedlist>
6039 <listitem>
6040   <para>Compile the program or library first the normal way, without
6041   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
6042 </listitem>
6043 <listitem>
6044   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
6045   additionally use <option>-osuf
6046   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
6047   to name the object files differently (you can choose any suffix
6048   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
6049   load the object files built in the first step when executing splice
6050   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
6051   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
6052   GHC will emit an error message. </para>
6053 </listitem>
6054 </orderedlist>
6055 </sect2>
6056
6057 <sect2 id="th-quasiquotation">  <title> Template Haskell Quasi-quotation </title>
6058 <para>Quasi-quotation allows patterns and expressions to be written using
6059 programmer-defined concrete syntax; the motivation behind the extension and
6060 several examples are documented in
6061 "<ulink url="http://www.eecs.harvard.edu/~mainland/ghc-quasiquoting/">Why It's
6062 Nice to be Quoted: Quasiquoting for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop
6063 2007). The example below shows how to write a quasiquoter for a simple
6064 expression language.</para>
6065
6066 <para>
6067 In the example, the quasiquoter <literal>expr</literal> is bound to a value of
6068 type <literal>Language.Haskell.TH.Quote.QuasiQuoter</literal> which contains two
6069 functions for quoting expressions and patterns, respectively. The first argument
6070 to each quoter is the (arbitrary) string enclosed in the Oxford brackets. The
6071 context of the quasi-quotation statement determines which of the two parsers is
6072 called: if the quasi-quotation occurs in an expression context, the expression
6073 parser is called, and if it occurs in a pattern context, the pattern parser is
6074 called.</para>
6075
6076 <para>
6077 Note that in the example we make use of an antiquoted
6078 variable <literal>n</literal>, indicated by the syntax <literal>'int:n</literal>
6079 (this syntax for anti-quotation was defined by the parser's
6080 author, <emphasis>not</emphasis> by GHC). This binds <literal>n</literal> to the
6081 integer value argument of the constructor <literal>IntExpr</literal> when
6082 pattern matching. Please see the referenced paper for further details regarding
6083 anti-quotation as well as the description of a technique that uses SYB to
6084 leverage a single parser of type <literal>String -> a</literal> to generate both
6085 an expression parser that returns a value of type <literal>Q Exp</literal> and a
6086 pattern parser that returns a value of type <literal>Q Pat</literal>.
6087 </para>
6088
6089 <para>In general, a quasi-quote has the form
6090 <literal>[$<replaceable>quoter</replaceable>| <replaceable>string</replaceable> |]</literal>.
6091 The <replaceable>quoter</replaceable> must be the name of an imported quoter; it
6092 cannot be an arbitrary expression.  The quoted <replaceable>string</replaceable> 
6093 can be arbitrary, and may contain newlines.
6094 </para>
6095 <para>
6096 Quasiquoters must obey the same stage restrictions as Template Haskell, e.g., in
6097 the example, <literal>expr</literal> cannot be defined
6098 in <literal>Main.hs</literal> where it is used, but must be imported.
6099 </para>
6100
6101 <programlisting>
6102
6103 {- Main.hs -}
6104 module Main where
6105
6106 import Expr
6107
6108 main :: IO ()
6109 main = do { print $ eval [$expr|1 + 2|]
6110           ; case IntExpr 1 of
6111               { [$expr|'int:n|] -> print n
6112               ;  _              -> return ()
6113               }
6114           }
6115
6116
6117 {- Expr.hs -}
6118 module Expr where
6119
6120 import qualified Language.Haskell.TH as TH
6121 import Language.Haskell.TH.Quote
6122
6123 data Expr  =  IntExpr Integer
6124            |  AntiIntExpr String
6125            |  BinopExpr BinOp Expr Expr
6126            |  AntiExpr String
6127     deriving(Show, Typeable, Data)
6128
6129 data BinOp  =  AddOp
6130             |  SubOp
6131             |  MulOp
6132             |  DivOp
6133     deriving(Show, Typeable, Data)
6134
6135 eval :: Expr -> Integer
6136 eval (IntExpr n)        = n
6137 eval (BinopExpr op x y) = (opToFun op) (eval x) (eval y)
6138   where
6139     opToFun AddOp = (+)
6140     opToFun SubOp = (-)
6141     opToFun MulOp = (*)
6142     opToFun DivOp = div
6143
6144 expr = QuasiQuoter parseExprExp parseExprPat
6145
6146 -- Parse an Expr, returning its representation as
6147 -- either a Q Exp or a Q Pat. See the referenced paper
6148 -- for how to use SYB to do this by writing a single
6149 -- parser of type String -> Expr instead of two
6150 -- separate parsers.
6151
6152 parseExprExp :: String -> Q Exp
6153 parseExprExp ...
6154
6155 parseExprPat :: String -> Q Pat
6156 parseExprPat ...
6157 </programlisting>
6158
6159 <para>Now run the compiler:
6160 </para>
6161 <programlisting>
6162 $ ghc --make -XQuasiQuotes Main.hs -o main
6163 </programlisting>
6164
6165 <para>Run "main" and here is your output:</para>
6166
6167 <programlisting>
6168 $ ./main
6169 3
6170 1
6171 </programlisting>
6172
6173 </sect2>
6174
6175 </sect1>
6176
6177 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
6178
6179 <sect1 id="arrow-notation">
6180 <title>Arrow notation
6181 </title>
6182
6183 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
6184 For more details, see
6185 <itemizedlist>
6186
6187 <listitem>
6188 <para>
6189 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
6190 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
6191 pp67&ndash;111, May 2000.
6192 The paper that introduced arrows: a friendly introduction, motivated with
6193 programming examples.
6194 </para>
6195 </listitem>
6196
6197 <listitem>
6198 <para>
6199 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
6200 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
6201 Introduced the notation described here.
6202 </para>
6203 </listitem>
6204
6205 <listitem>
6206 <para>
6207 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
6208 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
6209 Palgrave, 2003.
6210 </para>
6211 </listitem>
6212
6213 <listitem>
6214 <para>
6215 &ldquo;<ulink url="http://www.cs.chalmers.se/~rjmh/afp-arrows.pdf">Programming with Arrows</ulink>&rdquo;,
6216 John Hughes, in <citetitle>5th International Summer School on
6217 Advanced Functional Programming</citetitle>,
6218 <citetitle>Lecture Notes in Computer Science</citetitle> vol. 3622,
6219 Springer, 2004.
6220 This paper includes another introduction to the notation,
6221 with practical examples.
6222 </para>
6223 </listitem>
6224
6225 <listitem>
6226 <para>
6227 &ldquo;<ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/papers/arrow-rules.pdf">Type and Translation Rules for Arrow Notation in GHC</ulink>&rdquo;,
6228 Ross Paterson and Simon Peyton Jones, September 16, 2004.
6229 A terse enumeration of the formal rules used
6230 (extracted from comments in the source code).
6231 </para>
6232 </listitem>
6233
6234 <listitem>
6235 <para>
6236 The arrows web page at
6237 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
6238 </para>
6239 </listitem>
6240
6241 </itemizedlist>
6242 With the <option>-XArrows</option> flag, GHC supports the arrow
6243 notation described in the second of these papers,
6244 translating it using combinators from the
6245 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6246 module.
6247 What follows is a brief introduction to the notation;
6248 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
6249 </para>
6250
6251 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
6252 <screen>
6253 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
6254        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6255 </screen>
6256 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
6257 The variables of the pattern are bound in the body of the 
6258 <literal>proc</literal>-expression,
6259 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
6260 The syntax of commands is as follows:
6261 <screen>
6262 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
6263        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
6264        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
6265 </screen>
6266 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
6267 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
6268 infix operators as for expressions, and
6269 <screen>
6270 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6271        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
6272        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
6273        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
6274        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
6275        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
6276
6277 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
6278        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
6279        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
6280
6281 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
6282        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
6283        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
6284        |  <replaceable>cmd</replaceable>
6285 </screen>
6286 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
6287 except that the bodies are commands instead of expressions.
6288 </para>
6289
6290 <para>
6291 Commands produce values, but (like monadic computations)
6292 may yield more than one value,
6293 or none, and may do other things as well.
6294 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
6295 using commands.
6296 However the values of expressions, even monadic ones,
6297 are determined by the values of the variables they contain;
6298 this is not necessarily the case for commands.
6299 </para>
6300
6301 <para>
6302 A simple example of the new notation is the expression
6303 <screen>
6304 proc x -> f -&lt; x+1
6305 </screen>
6306 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
6307 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
6308 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
6309 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
6310 It refers to the input to the arrow.
6311 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
6312 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
6313 type and an expression to be fed as input to that arrow.
6314 (The weird look will make more sense later.)
6315 It may be read as analogue of application for arrows.
6316 The above example is equivalent to the Haskell expression
6317 <screen>
6318 arr (\ x -> x+1) >>> f
6319 </screen>
6320 That would make no sense if the expression to the left of
6321 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
6322 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
6323 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
6324 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
6325 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
6326 <screen>
6327 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
6328 </screen>
6329 which is equivalent to
6330 <screen>
6331 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
6332 </screen>
6333 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
6334 class.
6335 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
6336 you may find a monadic formulation more convenient.
6337 </para>
6338
6339 <sect2>
6340 <title>do-notation for commands</title>
6341
6342 <para>
6343 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
6344 For example, you can write
6345 <screen>
6346 proc x -> do
6347         y &lt;- f -&lt; x+1
6348         g -&lt; 2*y
6349         let z = x+y
6350         t &lt;- h -&lt; x*z
6351         returnA -&lt; t+z
6352 </screen>
6353 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
6354 but with commands in place of monadic expressions.
6355 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
6356 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
6357 <literal>y</literal>.
6358 In the next line, the output is discarded.
6359 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
6360 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6361 module as <literal>arr id</literal>.
6362 The above example is treated as an abbreviation for
6363 <screen>
6364 arr (\ x -> (x, x)) >>>
6365         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
6366         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
6367         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
6368         arr snd >>>
6369         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
6370         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
6371         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
6372         returnA
6373 </screen>
6374 Note that variables not used later in the composition are projected out.
6375 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
6376 defined in the
6377 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6378 module, this reduces to
6379 <screen>
6380 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
6381         first f >>>
6382         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
6383         first g >>>
6384         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
6385         first h >>>
6386         arr (\ (t, z) -> t+z)
6387 </screen>
6388 which is what you might have written by hand.
6389 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
6390 </para>
6391
6392 <para>
6393 Note that although the above translation suggests that
6394 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
6395 monomorphic, the actual translation produces Core,
6396 so polymorphic variables are allowed.
6397 </para>
6398
6399 <para>
6400 It's also possible to have mutually recursive bindings,
6401 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
6402 <programlisting>
6403 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
6404 counter = proc reset -> do
6405         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
6406                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
6407         returnA -&lt; output
6408 </programlisting>
6409 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
6410 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
6411 </para>
6412
6413 </sect2>
6414
6415 <sect2>
6416 <title>Conditional commands</title>
6417
6418 <para>
6419 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
6420 input for an arrow.
6421 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
6422 <screen>
6423 proc (x,y) ->
6424         if f x y
6425         then g -&lt; x+1
6426         else h -&lt; y+2
6427 </screen>
6428 which is translated to
6429 <screen>
6430 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
6431         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
6432 </screen>
6433 Since the translation uses <function>|||</function>,
6434 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
6435 </para>
6436
6437 <para>
6438 There are also <literal>case</literal> commands, like
6439 <screen>
6440 case input of
6441     [] -> f -&lt; ()
6442     [x] -> g -&lt; x+1
6443     x1:x2:xs -> do
6444         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
6445         ys &lt;- k -&lt; xs
6446         returnA -&lt; y:ys
6447 </screen>
6448 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
6449 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
6450 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
6451 </para>
6452
6453 </sect2>
6454
6455 <sect2>
6456 <title>Defining your own control structures</title>
6457
6458 <para>
6459 As we're seen, arrow notation provides constructs,
6460 modelled on those for expressions,
6461 for sequencing, value recursion and conditionals.
6462 But suitable combinators,
6463 which you can define in ordinary Haskell,
6464 may also be used to build new commands out of existing ones.
6465 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
6466 These environments assign values to the free local variables of the command.
6467 Thus combinators that produce arrows from arrows
6468 may also be used to build commands from commands.
6469 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
6470 <programlisting>
6471 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
6472 </programlisting>
6473 so we can use it to build commands:
6474 <programlisting>
6475 expr' = proc x -> do
6476                 returnA -&lt; x
6477         &lt;+> do
6478                 symbol Plus -&lt; ()
6479                 y &lt;- term -&lt; ()
6480                 expr' -&lt; x + y
6481         &lt;+> do
6482                 symbol Minus -&lt; ()
6483                 y &lt;- term -&lt; ()
6484                 expr' -&lt; x - y
6485 </programlisting>
6486 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
6487 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
6488 expression on the previous line.)
6489 This is equivalent to
6490 <programlisting>
6491 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
6492         &lt;+> (proc x -> do
6493                 symbol Plus -&lt; ()
6494                 y &lt;- term -&lt; ()
6495                 expr' -&lt; x + y)
6496         &lt;+> (proc x -> do
6497                 symbol Minus -&lt; ()
6498                 y &lt;- term -&lt; ()
6499                 expr' -&lt; x - y)
6500 </programlisting>
6501 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
6502 (representing the environment input to the command
6503 and thence to its subcommands)
6504 and satisfy the corresponding naturality property
6505 <screen>
6506 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
6507 </screen>
6508 at least for strict <literal>k</literal>.
6509 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
6510 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
6511 of the whole command,
6512 and also allows the translation to safely trim these environments.
6513 The operator must also not use any variable defined within the current
6514 arrow abstraction.
6515 </para>
6516
6517 <para>
6518 We could define our own operator
6519 <programlisting>
6520 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
6521 untilA body cond = proc x ->
6522         b &lt;- cond -&lt; x
6523         if b then returnA -&lt; ()
6524         else do
6525                 body -&lt; x
6526                 untilA body cond -&lt; x
6527 </programlisting>
6528 and use it in the same way.
6529 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
6530 there is also a more general syntax involving special brackets:
6531 <screen>
6532 proc x -> do
6533         y &lt;- f -&lt; x+1
6534         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
6535 </screen>
6536 </para>
6537
6538 </sect2>
6539
6540 <sect2>
6541 <title>Primitive constructs</title>
6542
6543 <para>
6544 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
6545 For example, in an arrow type supporting exceptions,
6546 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
6547 exception that occurred to the handler.
6548 Such an operator might have a type
6549 <screen>
6550 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
6551 </screen>
6552 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
6553 You could then use this with arrow notation by writing a command
6554 <screen>
6555 body `handleA` \ ex -> handler
6556 </screen>
6557 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
6558 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
6559 and the command <literal>handler</literal>,
6560 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
6561 Though the syntax here looks like a functional lambda,
6562 we are talking about commands, and something different is going on.
6563 The input to the arrow represented by a command consists of values for
6564 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
6565 In all the prior examples, this stack was empty.
6566 In the second argument to <function>handleA</function>,
6567 this stack consists of one value, the value of the exception.
6568 The command form of lambda merely gives this value a name.
6569 </para>
6570
6571 <para>
6572 More concretely,
6573 the values on the stack are paired to the right of the environment.
6574 So operators like <function>handleA</function> that pass
6575 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
6576 by pairing the values with the environment in this way.
6577 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
6578 should have the form
6579 <screen>
6580 a (...(e,t1), ... tn) t
6581 </screen>
6582 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
6583 (representing the environment)
6584 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
6585 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
6586 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
6587 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
6588 <replaceable>t</replaceable>.
6589 However the arrows involved need not be the same.
6590 Here are some more examples of suitable operators:
6591 <screen>
6592 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
6593 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
6594 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
6595 </screen>
6596 We can supply the extra input required by commands built with the last two
6597 by applying them to ordinary expressions, as in
6598 <screen>
6599 proc x -> do
6600         s &lt;- ...
6601         (|runReader (do { ... })|) s
6602 </screen>
6603 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
6604 built using <function>runReader</function>.
6605 </para>
6606
6607 <para>
6608 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
6609 the expression versions.
6610 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
6611 These three features (operators, lambda abstraction and application)
6612 are the core of the notation; everything else can be built using them,
6613 though the results would be somewhat clumsy.
6614 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
6615 <programlisting>
6616 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
6617 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
6618
6619 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
6620 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
6621 </programlisting>
6622 We could simulate <literal>if</literal> by defining
6623 <programlisting>
6624 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
6625 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
6626 </programlisting>
6627 </para>
6628
6629 </sect2>
6630
6631 <sect2>
6632 <title>Differences with the paper</title>
6633
6634 <itemizedlist>
6635
6636 <listitem>
6637 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
6638 translations, the implementation provides two forms
6639 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
6640 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
6641 </para>
6642 </listitem>
6643
6644 <listitem>
6645 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
6646 a new <literal>form</literal> keyword.
6647 </para>
6648 </listitem>
6649
6650 </itemizedlist>
6651
6652 </sect2>
6653
6654 <sect2>
6655 <title>Portability</title>
6656
6657 <para>
6658 Although only GHC implements arrow notation directly,
6659 there is also a preprocessor
6660 (available from the 
6661 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
6662 that translates arrow notation into Haskell 98
6663 for use with other Haskell systems.
6664 You would still want to check arrow programs with GHC;
6665 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
6666 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
6667 additional restrictions:
6668 <itemizedlist>
6669
6670 <listitem>
6671 <para>
6672 The module must import
6673 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
6674 </para>
6675 </listitem>
6676
6677 <listitem>
6678 <para>
6679 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
6680 These would have to go in separate modules.
6681 </para>
6682 </listitem>
6683
6684 <listitem>
6685 <para>
6686 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
6687 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
6688 </para>
6689 </listitem>
6690
6691 </itemizedlist>
6692 </para>
6693
6694 </sect2>
6695
6696 </sect1>
6697
6698 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
6699
6700 <sect1 id="bang-patterns">
6701 <title>Bang patterns
6702 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
6703 </title>
6704 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
6705 patterns</emphasis>, written <literal>!<replaceable>pat</replaceable></literal>.   
6706 Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
6707 The <ulink
6708 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
6709 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
6710 than the material below.
6711 </para>
6712 <para>
6713 The key change is the addition of a new rule to the 
6714 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">semantics of pattern matching in the Haskell 98 report</ulink>.
6715 Add new bullet 10, saying: Matching the pattern <literal>!</literal><replaceable>pat</replaceable> 
6716 against a value <replaceable>v</replaceable> behaves as follows:
6717 <itemizedlist>
6718 <listitem><para>if <replaceable>v</replaceable> is bottom, the match diverges</para></listitem>
6719 <listitem><para>otherwise, <replaceable>pat</replaceable> is matched against <replaceable>v</replaceable>  </para></listitem>
6720 </itemizedlist>
6721 </para>
6722 <para>
6723 Bang patterns are enabled by the flag <option>-XBangPatterns</option>.
6724 </para>
6725
6726 <sect2 id="bang-patterns-informal">
6727 <title>Informal description of bang patterns
6728 </title>
6729 <para>
6730 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
6731 <programlisting>
6732   pat ::= !pat
6733 </programlisting>
6734 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
6735 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
6736 Example:
6737 <programlisting>
6738 f1 !x = True
6739 </programlisting>
6740 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
6741 whereas without the bang it would be lazy.
6742 Bang patterns can be nested of course:
6743 <programlisting>
6744 f2 (!x, y) = [x,y]
6745 </programlisting>
6746 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
6747 <literal>y</literal>.  
6748 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
6749 <programlisting>
6750 f3 !(x,y) = [x,y]
6751 f4 (x,y)  = [x,y]
6752 </programlisting>
6753 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; 
6754 putting a bang before a pattern that
6755 forces evaluation anyway does nothing.
6756 </para>
6757 <para>
6758 There is one (apparent) exception to this general rule that a bang only
6759 makes a difference when it precedes a variable or wild-card: a bang at the
6760 top level of a <literal>let</literal> or <literal>where</literal>
6761 binding makes the binding strict, regardless of the pattern. For example:
6762 <programlisting>
6763 let ![x,y] = e in b
6764 </programlisting>
6765 is a strict binding: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
6766 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>.
6767 (We say "apparent" exception because the Right Way to think of it is that the bang
6768 at the top of a binding is not part of the <emphasis>pattern</emphasis>; rather it
6769 is part of the syntax of the <emphasis>binding</emphasis>.)
6770 Nested bangs in a pattern binding behave uniformly with all other forms of 
6771 pattern matching.  For example
6772 <programlisting>
6773 let (!x,[y]) = e in b
6774 </programlisting>
6775 is equivalent to this:
6776 <programlisting>
6777 let { t = case e of (x,[y]) -> x `seq` (x,y)
6778       x = fst t
6779       y = snd t }
6780 in b
6781 </programlisting>
6782 The binding is lazy, but when either <literal>x</literal> or <literal>y</literal> is
6783 evaluated by <literal>b</literal> the entire pattern is matched, including forcing the
6784 evaluation of <literal>x</literal>.
6785 </para>
6786 <para>
6787 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
6788 <programlisting>
6789 g5 x = let y = f x in body
6790 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
6791 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
6792 </programlisting>
6793 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
6794 But <literal>g7</literal> evaluates <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
6795 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
6796 </para>
6797 </sect2>
6798
6799
6800 <sect2 id="bang-patterns-sem">
6801 <title>Syntax and semantics
6802 </title>
6803 <para>
6804
6805 We add a single new production to the syntax of patterns:
6806 <programlisting>
6807   pat ::= !pat
6808 </programlisting>
6809 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
6810 <programlisting>
6811 f !x = 3
6812 </programlisting>
6813 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
6814 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
6815 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
6816 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
6817 prefix notation:
6818 <programlisting>
6819 (!) f x = 3
6820 </programlisting>
6821 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
6822 url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
6823 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
6824 one extra item 10, saying:
6825 <itemizedlist><listitem><para>Matching
6826 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
6827 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
6828                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
6829                 <literal>v</literal></para></listitem>
6830 </itemizedlist>
6831 </para></listitem></itemizedlist>
6832 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
6833 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
6834 <programlisting>
6835 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
6836    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
6837 </programlisting>
6838 </para><para>
6839 That leaves let expressions, whose translation is given in 
6840 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
6841 3.12</ulink>
6842 of the Haskell Report.
6843 In the translation box, first apply 
6844 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
6845 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
6846 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
6847 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
6848 </para>
6849 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
6850 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
6851 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
6852 thus:
6853 <programlisting>
6854   let !y = f x in b
6855 </programlisting>
6856
6857 </para>
6858 <para>
6859 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
6860 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
6861 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
6862      is equivalent to
6863 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
6864 </para>
6865 <para>
6866 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
6867 a module.
6868 </para>
6869 </sect2>
6870 </sect1>
6871
6872 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
6873
6874 <sect1 id="assertions">
6875 <title>Assertions
6876 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
6877 </title>
6878
6879 <para>
6880 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
6881 could define a function like the following:
6882 </para>
6883
6884 <para>
6885
6886 <programlisting>
6887 assert :: Bool -> a -> a
6888 assert False x = error "assertion failed!"
6889 assert _     x = x
6890 </programlisting>
6891
6892 </para>
6893
6894 <para>
6895 which works, but gives you back a less than useful error message --
6896 an assertion failed, but which and where?
6897 </para>
6898
6899 <para>
6900 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
6901 takes a descriptive string to include in the error message and
6902 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
6903 the source location where <function>assert</function> was used.
6904 </para>
6905
6906 <para>
6907 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
6908 use of <function>assert</function> in the user's source:
6909 </para>
6910
6911 <para>
6912
6913 <programlisting>
6914 kelvinToC :: Double -> Double
6915 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
6916 </programlisting>
6917
6918 </para>
6919
6920 <para>
6921 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
6922 assertion was made,
6923 </para>
6924
6925 <para>
6926
6927 <programlisting>
6928 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
6929 </programlisting>
6930
6931 </para>
6932
6933 <para>
6934 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
6935 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
6936 can still define and use your own versions of
6937 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
6938 <literal>Control.Exception</literal> to make use
6939 <function>assert</function> in your code.
6940 </para>
6941
6942 <para>
6943 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
6944       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
6945 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
6946 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
6947       <option>-fignore-asserts</option>
6948       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
6949       </indexterm>.</para>
6950
6951 <para>
6952 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
6953 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
6954 </para>
6955
6956 </sect1>
6957
6958
6959 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
6960
6961   <sect1 id="pragmas">
6962     <title>Pragmas</title>
6963
6964     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
6965
6966     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
6967     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
6968     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
6969     of the generated code.</para>
6970
6971     <para>Pragmas all take the form
6972
6973 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
6974
6975     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
6976     pragma, and is followed optionally by information specific to that
6977     type of pragma.  Case is ignored in
6978     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
6979     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
6980     in the following sections; any pragma encountered with an
6981     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is
6982     ignored. The layout rule applies in pragmas, so the closing <literal>#-}</literal>
6983     should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>. </para> 
6984
6985     <para>Certain pragmas are <emphasis>file-header pragmas</emphasis>:
6986       <itemizedlist>
6987       <listitem><para>
6988           A file-header
6989           pragma must precede the <literal>module</literal> keyword in the file.
6990           </para></listitem>
6991       <listitem><para>
6992       There can be as many file-header pragmas as you please, and they can be
6993       preceded or followed by comments.  
6994           </para></listitem>
6995       <listitem><para>
6996       File-header pragmas are read once only, before
6997       pre-processing the file (e.g. with cpp).
6998           </para></listitem>
6999       <listitem><para>
7000          The file-header pragmas are: <literal>{-# LANGUAGE #-}</literal>,
7001         <literal>{-# OPTIONS_GHC #-}</literal>, and
7002         <literal>{-# INCLUDE #-}</literal>.
7003           </para></listitem>
7004       </itemizedlist>
7005       </para>
7006
7007     <sect2 id="language-pragma">
7008       <title>LANGUAGE pragma</title>
7009
7010       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7011       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
7012
7013       <para>The <literal>LANGUAGE</literal> pragma allows language extensions to be enabled 
7014         in a portable way.
7015         It is the intention that all Haskell compilers support the
7016         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
7017         all extensions are supported by all compilers, of
7018         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
7019         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
7020
7021       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
7022
7023 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
7024
7025         <para><literal>LANGUAGE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7026
7027       <para>Every language extension can also be turned into a command-line flag
7028         by prefixing it with "<literal>-X</literal>"; for example <option>-XForeignFunctionInterface</option>.
7029         (Similarly, all "<literal>-X</literal>" flags can be written as <literal>LANGUAGE</literal> pragmas.
7030       </para>
7031
7032       <para>A list of all supported language extensions can be obtained by invoking
7033         <literal>ghc --supported-languages</literal> (see <xref linkend="modes"/>).</para>
7034
7035       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
7036         <ulink
7037           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink>
7038         may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
7039     </sect2>
7040
7041
7042     <sect2 id="options-pragma">
7043       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
7044       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
7045       </indexterm>
7046       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
7047       </indexterm>
7048
7049       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
7050       additional options that are given to the compiler when compiling
7051       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
7052       details.</para>
7053
7054       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
7055         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
7056     </sect2>
7057
7058         <para><literal>OPTIONS_GHC</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7059
7060     <sect2 id="include-pragma">
7061       <title>INCLUDE pragma</title>
7062
7063       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
7064         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
7065         the C source code generated by the compiler for the current module (if
7066         compiling via C).  For example:</para>
7067
7068 <programlisting>
7069 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
7070 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
7071
7072         <para><literal>INCLUDE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7073
7074       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
7075         to the <option>-#include</option> option (<xref
7076           linkend="options-C-compiler" />), because the
7077         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
7078         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
7079         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
7080         don't recommend using this approach with GHC.</para>
7081     </sect2>
7082
7083     <sect2 id="warning-deprecated-pragma">
7084       <title>WARNING and DEPRECATED pragmas</title>
7085       <indexterm><primary>WARNING</primary></indexterm>
7086       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary></indexterm>
7087
7088       <para>The WARNING pragma allows you to attach an arbitrary warning
7089       to a particular function, class, or type.
7090       A DEPRECATED pragma lets you specify that
7091       a particular function, class, or type is deprecated.
7092       There are two ways of using these pragmas.
7093
7094       <itemizedlist>
7095         <listitem>
7096           <para>You can work on an entire module thus:</para>
7097 <programlisting>
7098    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
7099      ...
7100 </programlisting>
7101       <para>Or:</para>
7102 <programlisting>
7103    module Wibble {-# WARNING "This is an unstable interface." #-} where
7104      ...
7105 </programlisting>
7106           <para>When you compile any module that import
7107           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
7108           message.</para>
7109         </listitem>
7110
7111         <listitem>
7112           <para>You can attach a warning to a function, class, type, or data constructor, with the
7113           following top-level declarations:</para>
7114 <programlisting>
7115    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
7116    {-# WARNING unsafePerformIO "This is unsafe; I hope you know what you're doing" #-}
7117 </programlisting>
7118           <para>When you compile any module that imports and uses any
7119           of the specified entities, GHC will print the specified
7120           message.</para>
7121           <para> You can only attach to entities declared at top level in the module
7122           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
7123           entities. A capitalised name, such as <literal>T</literal>
7124           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
7125           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
7126           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to
7127       specify one without the other (c.f. fixities
7128       <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
7129         </listitem>
7130       </itemizedlist>
7131       Warnings and deprecations are not reported for
7132       (a) uses within the defining module, and
7133       (b) uses in an export list.
7134       The latter reduces spurious complaints within a library
7135       in which one module gathers together and re-exports 
7136       the exports of several others.
7137       </para>
7138       <para>You can suppress the warnings with the flag
7139       <option>-fno-warn-warnings-deprecations</option>.</para>
7140     </sect2>
7141
7142     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
7143       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
7144
7145       <para>These pragmas control the inlining of function
7146       definitions.</para>
7147
7148       <sect3 id="inline-pragma">
7149         <title>INLINE pragma</title>
7150         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
7151
7152         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
7153         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
7154         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
7155         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
7156         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
7157         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
7158         export that unfolding for other modules to use.</para>
7159
7160         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
7161         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
7162         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
7163
7164 <programlisting>
7165 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
7166 {-# INLINE key_function #-}
7167 </programlisting>
7168
7169         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
7170         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
7171         The normal unfolding machinery will then be very keen to
7172         inline it.  However, an <literal>INLINE</literal> pragma for a 
7173         function "<literal>f</literal>" has a number of other effects:
7174 <itemizedlist>
7175 <listitem><para>
7176 No functions are inlined into <literal>f</literal>.  Otherwise
7177 GHC might inline a big function into <literal>f</literal>'s right hand side, 
7178 making <literal>f</literal> big; and then inline <literal>f</literal> blindly.
7179 </para></listitem>
7180 <listitem><para>
7181 The float-in, float-out, and common-sub-expression transformations are not 
7182 applied to the body of <literal>f</literal>.  
7183 </para></listitem>
7184 <listitem><para>
7185 An INLINE function is not worker/wrappered by strictness analysis.
7186 It's going to be inlined wholesale instead.
7187 </para></listitem>
7188 </itemizedlist>
7189 All of these effects are aimed at ensuring that what gets inlined is
7190 exactly what you asked for, no more and no less.
7191 </para>
7192 <para>GHC ensures that inlining cannot go on forever: every mutually-recursive
7193 group is cut by one or more <emphasis>loop breakers</emphasis> that is never inlined
7194 (see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/Papers/inlining/index.htm">
7195 Secrets of the GHC inliner, JFP 12(4) July 2002</ulink>).
7196 GHC tries not to select a function with an INLINE pragma as a loop breaker, but
7197 when there is no choice even an INLINE function can be selected, in which case
7198 the INLINE pragma is ignored.
7199 For example, for a self-recursive function, the loop breaker can only be the function
7200 itself, so an INLINE pragma is always ignored.</para>
7201
7202         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
7203         function can be put anywhere its type signature could be
7204         put.</para>
7205
7206         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
7207         good idea for the
7208         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
7209         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
7210         a monad.  For example, in GHC's own
7211         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
7212
7213 <programlisting>
7214 {-# INLINE thenUs #-}
7215 {-# INLINE returnUs #-}
7216 </programlisting>
7217
7218         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
7219         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
7220
7221         <para>Note: the HBC compiler doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas,
7222           so if you want your code to be HBC-compatible you'll have to surround
7223           the pragma with C pre-processor directives 
7224           <literal>#ifdef __GLASGOW_HASKELL__</literal>...<literal>#endif</literal>.</para>
7225
7226       </sect3>
7227
7228       <sect3 id="noinline-pragma">
7229         <title>NOINLINE pragma</title>
7230         
7231         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
7232         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
7233
7234         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
7235         you'd expect: it stops the named function from being inlined
7236         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
7237         you're very cautious about code size.</para>
7238
7239         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
7240         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
7241         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
7242         inlining, so it should be used if you want your code to be
7243         portable).</para>
7244       </sect3>
7245
7246       <sect3 id="phase-control">
7247         <title>Phase control</title>
7248
7249         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
7250         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
7251         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
7252         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
7253         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
7254         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
7255         sequence of phase numbers for successive runs of the
7256         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
7257         phase number, thus:
7258         <itemizedlist>
7259           <listitem>
7260             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7261             <literal>f</literal>
7262               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7263               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
7264             </para></listitem>
7265           <listitem>
7266             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
7267             <literal>f</literal>
7268               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7269               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7270             </para></listitem>
7271           <listitem>
7272             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7273             <literal>f</literal>
7274               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7275               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
7276               there was no pragma).
7277             </para></listitem>
7278             <listitem>
7279             <para>"<literal>NOINLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
7280             <literal>f</literal>
7281               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7282               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7283             </para></listitem>
7284         </itemizedlist>
7285 The same information is summarised here:
7286 <programlisting>
7287                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
7288   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
7289   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
7290   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
7291   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
7292
7293   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
7294   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
7295 </programlisting>
7296 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
7297 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
7298 Another way to understand the semantics is this:
7299 <itemizedlist>
7300 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
7301 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
7302 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
7303 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
7304 happen.
7305 </para></listitem>
7306 </itemizedlist>
7307 </para>
7308 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
7309         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
7310       </sect3>
7311     </sect2>
7312
7313     <sect2 id="annotation-pragmas">
7314       <title>ANN pragmas</title>
7315       
7316       <para>GHC offers the ability to annotate various code constructs with additional
7317       data by using three pragmas.  This data can then be inspected at a later date by
7318       using GHC-as-a-library.</para>
7319             
7320       <sect3 id="ann-pragma">
7321         <title>Annotating values</title>
7322         
7323         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7324         
7325         <para>Any expression that has both <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances may be attached to a top-level value
7326         binding using an <literal>ANN</literal> pragma. In particular, this means you can use <literal>ANN</literal>
7327         to annotate data constructors (e.g. <literal>Just</literal>) as well as normal values (e.g. <literal>take</literal>).
7328         By way of example, to annotate the function <literal>foo</literal> with the annotation <literal>Just "Hello"</literal>
7329         you would do this:</para>
7330         
7331 <programlisting>
7332 {-# ANN foo (Just "Hello") #-}
7333 foo = ...
7334 </programlisting>
7335         
7336         <para>
7337           A number of restrictions apply to use of annotations:
7338           <itemizedlist>
7339             <listitem><para>The binder being annotated must be at the top level (i.e. no nested binders)</para></listitem>
7340             <listitem><para>The binder being annotated must be declared in the current module</para></listitem>
7341             <listitem><para>The expression you are annotating with must have a type with <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances</para></listitem>
7342             <listitem><para>The <ulink linkend="using-template-haskell">Template Haskell staging restrictions</ulink> apply to the
7343             expression being annotated with, so for example you cannot run a function from the module being compiled.</para>
7344             
7345             <para>To be precise, the annotation <literal>{-# ANN x e #-}</literal> is well staged if and only if <literal>$(e)</literal> would be 
7346             (disregarding the usual type restrictions of the splice syntax, and the usual restriction on splicing inside a splice - <literal>$([|1|])</literal> is fine as an annotation, albeit redundant).</para></listitem>
7347           </itemizedlist>
7348           
7349           If you feel strongly that any of these restrictions are too onerous, <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/MailingListsAndIRC">
7350           please give the GHC team a shout</ulink>.
7351         </para>
7352         
7353         <para>However, apart from these restrictions, many things are allowed, including expressions which are not fully evaluated!
7354         Annotation expressions will be evaluated by the compiler just like Template Haskell splices are. So, this annotation is fine:</para>
7355         
7356 <programlisting>
7357 {-# ANN f SillyAnnotation { foo = (id 10) + $([| 20 |]), bar = 'f } #-}
7358 f = ...
7359 </programlisting>
7360       </sect3>
7361       
7362       <sect3 id="typeann-pragma">
7363         <title>Annotating types</title>
7364         
7365         <indexterm><primary>ANN type</primary></indexterm>
7366         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7367         
7368         <para>You can annotate types with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>type</literal> keyword. For example:</para>
7369         
7370 <programlisting>
7371 {-# ANN type Foo (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7372 data Foo = ...
7373 </programlisting>
7374       </sect3>
7375       
7376       <sect3 id="modann-pragma">
7377         <title>Annotating modules</title>
7378         
7379         <indexterm><primary>ANN module</primary></indexterm>
7380         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7381         
7382         <para>You can annotate modules with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>module</literal> keyword. For example:</para>
7383         
7384 <programlisting>
7385 {-# ANN module (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7386 </programlisting>
7387       </sect3>
7388     </sect2>
7389
7390     <sect2 id="line-pragma">
7391       <title>LINE pragma</title>
7392
7393       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7394       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
7395       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
7396       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
7397       code.  It lets you specify the line number and filename of the
7398       original code; for example</para>
7399
7400 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
7401
7402       <para>if you'd generated the current file from something called
7403       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
7404       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
7405       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
7406       pragma.</para>
7407     </sect2>
7408
7409     <sect2 id="rules">
7410       <title>RULES pragma</title>
7411
7412       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
7413       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
7414     </sect2>
7415
7416     <sect2 id="specialize-pragma">
7417       <title>SPECIALIZE pragma</title>
7418
7419       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7420       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
7421       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7422
7423       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
7424       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
7425       specialised to particular types.  Thus, if you have an
7426       overloaded function:</para>
7427
7428 <programlisting>
7429   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
7430 </programlisting>
7431
7432       <para>If it is heavily used on lists with
7433       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
7434       follows:</para>
7435
7436 <programlisting>
7437   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
7438 </programlisting>
7439
7440       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
7441       be put anywhere its type signature could be put.</para>
7442
7443       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
7444       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
7445       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
7446       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
7447
7448       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
7449         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
7450         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
7451 <programlisting>
7452   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
7453 </programlisting>
7454       is valid if and only if the definition
7455 <programlisting>
7456   f_spec :: &lt;type&gt;
7457   f_spec = f
7458 </programlisting>
7459       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
7460       for the original function, not its code):
7461 <programlisting>
7462   f :: Eq a => a -> b -> b
7463   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
7464
7465   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
7466   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
7467
7468   h :: Eq a => a -> a -> a
7469   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
7470 </programlisting>
7471 The last of these examples will generate a 
7472 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
7473 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
7474 </para>
7475
7476 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
7477 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
7478 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
7479 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised version of the
7480 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
7481 example is this:
7482 <programlisting>
7483 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
7484 data Arr e where
7485   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
7486   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
7487
7488 (!:) :: Arr e -> Int -> e
7489 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
7490 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
7491 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
7492 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
7493 </programlisting>
7494 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
7495 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
7496 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
7497 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
7498 <literal>(!:)</literal>,
7499 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
7500 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
7501 unrolling of the indexing function.</para>
7502 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
7503 on an ordinarily-recursive function.</para>
7504
7505       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
7506       specialised function for a given type:
7507
7508 <programlisting>
7509 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
7510 </programlisting>
7511
7512       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
7513       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
7514
7515     </sect2>
7516
7517 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
7518 <title>SPECIALIZE instance pragma
7519 </title>
7520
7521 <para>
7522 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7523 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7524 Same idea, except for instance declarations.  For example:
7525
7526 <programlisting>
7527 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
7528    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
7529    ... usual stuff ...
7530  }
7531 </programlisting>
7532 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
7533 of the instance declaration.
7534 </para>
7535 <para>
7536 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
7537 of the pragma.
7538 </para>
7539
7540 </sect2>
7541
7542     <sect2 id="unpack-pragma">
7543       <title>UNPACK pragma</title>
7544
7545       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
7546       
7547       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
7548       that it should unpack the contents of a constructor field into
7549       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
7550       example:</para>
7551
7552 <programlisting>
7553 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
7554            {-# UNPACK #-} !Float
7555 </programlisting>
7556
7557       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
7558       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
7559       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
7560       floats passed to a non-strict function for example, they will
7561       have to be reboxed (this is done automatically by the
7562       compiler).</para>
7563
7564       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
7565       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
7566       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
7567       often as possible.  For example:</para>
7568
7569 <programlisting>
7570 f :: T -&#62; Float
7571 f (T f1 f2) = f1 + f2
7572 </programlisting>
7573
7574       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
7575       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
7576       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
7577
7578       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
7579       example</para>
7580
7581 <programlisting>
7582 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
7583 </programlisting>
7584
7585       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
7586       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
7587       Multi-level unpacking is also supported:
7588
7589 <programlisting>
7590 data T = T {-# UNPACK #-} !S
7591 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
7592 </programlisting>
7593
7594       will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
7595       directly in the <function>T</function> constructor.  The
7596       unpacker can see through newtypes, too.</para>
7597
7598       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
7599       so it might be an idea to check the generated code with
7600       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
7601
7602       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
7603       which essentially has the effect of adding
7604       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
7605       constructor field.</para>
7606     </sect2>
7607
7608     <sect2 id="source-pragma">
7609       <title>SOURCE pragma</title>
7610
7611       <indexterm><primary>SOURCE</primary></indexterm>
7612      <para>The <literal>{-# SOURCE #-}</literal> pragma is used only in <literal>import</literal> declarations,
7613      to break a module loop.  It is described in detail in <xref linkend="mutual-recursion"/>.
7614      </para>
7615 </sect2>
7616
7617 </sect1>
7618
7619 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
7620
7621 <sect1 id="rewrite-rules">
7622 <title>Rewrite rules
7623
7624 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
7625 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
7626 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
7627
7628 <para>
7629 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
7630 (in a pragma).  
7631 Here is an example:
7632
7633 <programlisting>
7634   {-# RULES
7635   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7636     #-}
7637 </programlisting>
7638 </para>
7639 <para>
7640 Use the debug flag <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules fired.
7641 If you need more information, then <option>-ddump-rule-firings</option> shows you
7642 each individual rule firing in detail.
7643 </para>
7644
7645 <sect2>
7646 <title>Syntax</title>
7647
7648 <para>
7649 From a syntactic point of view:
7650
7651 <itemizedlist>
7652
7653 <listitem>
7654 <para>
7655  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma, separated by semicolons (which
7656  may be generated by the layout rule).
7657 </para>
7658 </listitem>
7659
7660 <listitem>
7661 <para>
7662 The layout rule applies in a pragma.
7663 Currently no new indentation level
7664 is set, so if you put several rules in single RULES pragma and wish to use layout to separate them,
7665 you must lay out the starting in the same column as the enclosing definitions.
7666 <programlisting>
7667   {-# RULES
7668   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7669   "map/append" forall f xs ys. map f (xs ++ ys) = map f xs ++ map f ys
7670     #-}
7671 </programlisting>
7672 Furthermore, the closing <literal>#-}</literal>
7673 should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>.
7674 </para>
7675 </listitem>
7676
7677 <listitem>
7678 <para>
7679  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
7680 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
7681 </para>
7682 </listitem>
7683
7684 <listitem>
7685 <para>
7686 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
7687 immediately after the name of the rule.  Thus:
7688 <programlisting>
7689   {-# RULES
7690         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
7691     #-}
7692 </programlisting>
7693 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
7694 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
7695 Phase 2.
7696 </para>
7697 </listitem>
7698
7699
7700
7701 <listitem>
7702 <para>
7703  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
7704 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
7705 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
7706 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
7707 </para>
7708 </listitem>
7709 <listitem>
7710
7711 <para>
7712  A pattern variable may optionally have a type signature.
7713 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
7714 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
7715
7716 <programlisting>
7717 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
7718               foldr k z (build g) = g k z
7719 </programlisting>
7720
7721 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
7722
7723 </para>
7724 </listitem>
7725 <listitem>
7726
7727 <para>
7728 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
7729 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
7730
7731 <programlisting>
7732 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
7733 "wrong2"   forall f.      f True = True
7734 </programlisting>
7735
7736 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
7737 in the head.
7738 </para>
7739 </listitem>
7740 <listitem>
7741
7742 <para>
7743  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
7744 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
7745 </para>
7746 </listitem>
7747 <listitem>
7748
7749 <para>
7750  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
7751 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
7752 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
7753 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
7754 declarations.
7755 </para>
7756 </listitem>
7757
7758 <listitem>
7759
7760 <para>
7761 Inside a RULE "<literal>forall</literal>" is treated as a keyword, regardless of
7762 any other flag settings.  Furthermore, inside a RULE, the language extension
7763 <option>-XScopedTypeVariables</option> is automatically enabled; see 
7764 <xref linkend="scoped-type-variables"/>.
7765 </para>
7766 </listitem>
7767 <listitem>
7768
7769 <para>
7770 Like other pragmas, RULE pragmas are always checked for scope errors, and
7771 are typechecked. Typechecking means that the LHS and RHS of a rule are typechecked, 
7772 and must have the same type.  However, rules are only <emphasis>enabled</emphasis>
7773 if the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag is 
7774 on (see <xref linkend="rule-semantics"/>).
7775 </para>
7776 </listitem>
7777 </itemizedlist>
7778
7779 </para>
7780
7781 </sect2>
7782
7783 <sect2 id="rule-semantics">
7784 <title>Semantics</title>
7785
7786 <para>
7787 From a semantic point of view:
7788
7789 <itemizedlist>
7790 <listitem>
7791 <para>
7792 Rules are enabled (that is, used during optimisation)
7793 by the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag.
7794 This flag is implied by <option>-O</option>, and may be switched
7795 off (as usual) by <option>-fno-enable-rewrite-rules</option>.
7796 (NB: enabling <option>-fenable-rewrite-rules</option> without <option>-O</option> 
7797 may not do what you expect, though, because without <option>-O</option> GHC 
7798 ignores all optimisation information in interface files;
7799 see <option>-fignore-interface-pragmas</option>, <xref linkend="options-f"/>.)
7800 Note that <option>-fenable-rewrite-rules</option> is an <emphasis>optimisation</emphasis> flag, and
7801 has no effect on parsing or typechecking.
7802 </para>
7803 </listitem>
7804
7805 <listitem>
7806 <para>
7807  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
7808 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
7809 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
7810 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
7811 expression by substituting for the pattern variables.
7812
7813 </para>
7814 </listitem>
7815 <listitem>
7816
7817 <para>
7818  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
7819 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
7820 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
7821
7822 </para>
7823 </listitem>
7824 <listitem>
7825
7826 <para>
7827  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
7828 terminating.  For example:
7829
7830 <programlisting>
7831   "loop"        forall x y.  f x y = f y x
7832 </programlisting>
7833
7834 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
7835
7836 </para>
7837 </listitem>
7838 <listitem>
7839
7840 <para>
7841  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
7842
7843 </para>
7844 </listitem>
7845 <listitem>
7846 <para>
7847  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
7848 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
7849 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
7850 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
7851 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
7852 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
7853 </para>
7854
7855 <para>
7856 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
7857 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
7858 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
7859 </para>
7860 </listitem>
7861 <listitem>
7862
7863 <para>
7864  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
7865 For example, consider:
7866
7867 <programlisting>
7868   let s = map f
7869       t = map g
7870   in
7871   s (t xs)
7872 </programlisting>
7873
7874 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
7875 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
7876 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
7877 not be substituted, and the rule would not fire.
7878
7879 </para>
7880 </listitem>
7881 <listitem>
7882
7883 <para>
7884 Ordinary inlining happens at the same time as rule rewriting, which may lead to unexpected
7885 results.  Consider this (artificial) example
7886 <programlisting>
7887 f x = x
7888 {-# RULES "f" f True = False #-}
7889
7890 g y = f y
7891
7892 h z = g True
7893 </programlisting>
7894 Since <literal>f</literal>'s right-hand side is small, it is inlined into <literal>g</literal>,
7895 to give
7896 <programlisting>
7897 g y = y
7898 </programlisting>
7899 Now <literal>g</literal> is inlined into <literal>h</literal>, but <literal>f</literal>'s RULE has
7900 no chance to fire.  
7901 If instead GHC had first inlined <literal>g</literal> into <literal>h</literal> then there
7902 would have been a better chance that <literal>f</literal>'s RULE might fire.  
7903 </para>
7904 <para>
7905 The way to get predictable behaviour is to use a NOINLINE 
7906 pragma on <literal>f</literal>, to ensure
7907 that it is not inlined until its RULEs have had a chance to fire.
7908 </para>
7909 </listitem>
7910 </itemizedlist>
7911
7912 </para>
7913
7914 </sect2>
7915
7916 <sect2>
7917 <title>List fusion</title>
7918
7919 <para>
7920 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
7921 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
7922 intermediate list should be eliminated entirely.
7923 </para>
7924
7925 <para>
7926 The following are good producers:
7927
7928 <itemizedlist>
7929 <listitem>
7930
7931 <para>
7932  List comprehensions
7933 </para>
7934 </listitem>
7935 <listitem>
7936
7937 <para>
7938  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
7939 </para>
7940 </listitem>
7941 <listitem>
7942
7943 <para>
7944  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
7945 </para>
7946 </listitem>
7947 <listitem>
7948
7949 <para>
7950  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
7951 </para>
7952 </listitem>
7953 <listitem>
7954
7955 <para>
7956  <function>++</function>
7957 </para>
7958 </listitem>
7959
7960 <listitem>
7961 <para>
7962  <function>map</function>
7963 </para>
7964 </listitem>
7965
7966 <listitem>
7967 <para>
7968 <function>take</function>, <function>filter</function>
7969 </para>
7970 </listitem>
7971 <listitem>
7972
7973 <para>
7974  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
7975 </para>
7976 </listitem>
7977 <listitem>
7978
7979 <para>
7980  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
7981 </para>
7982 </listitem>
7983
7984 </itemizedlist>
7985
7986 </para>
7987
7988 <para>
7989 The following are good consumers:
7990
7991 <itemizedlist>
7992 <listitem>
7993
7994 <para>
7995  List comprehensions
7996 </para>
7997 </listitem>
7998 <listitem>
7999
8000 <para>
8001  <function>array</function> (on its second argument)
8002 </para>
8003 </listitem>
8004 <listitem>
8005
8006 <para>
8007  <function>++</function> (on its first argument)
8008 </para>
8009 </listitem>
8010
8011 <listitem>
8012 <para>
8013  <function>foldr</function>
8014 </para>
8015 </listitem>
8016
8017 <listitem>
8018 <para>
8019  <function>map</function>
8020 </para>
8021 </listitem>
8022 <listitem>
8023
8024 <para>
8025 <function>take</function>, <function>filter</function>
8026 </para>
8027 </listitem>
8028 <listitem>
8029
8030 <para>
8031  <function>concat</function>
8032 </para>
8033 </listitem>
8034 <listitem>
8035
8036 <para>
8037  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
8038 </para>
8039 </listitem>
8040 <listitem>
8041
8042 <para>
8043  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
8044 will fuse with one but not the other)
8045 </para>
8046 </listitem>
8047 <listitem>
8048
8049 <para>
8050  <function>partition</function>
8051 </para>
8052 </listitem>
8053 <listitem>
8054
8055 <para>
8056  <function>head</function>
8057 </para>
8058 </listitem>
8059 <listitem>
8060
8061 <para>
8062  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
8063 </para>
8064 </listitem>
8065 <listitem>
8066
8067 <para>
8068  <function>sequence&lowbar;</function>
8069 </para>
8070 </listitem>
8071 <listitem>
8072
8073 <para>
8074  <function>msum</function>
8075 </para>
8076 </listitem>
8077 <listitem>
8078
8079 <para>
8080  <function>sortBy</function>
8081 </para>
8082 </listitem>
8083
8084 </itemizedlist>
8085
8086 </para>
8087
8088  <para>
8089 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
8090
8091 <programlisting>
8092 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
8093 </programlisting>
8094
8095 </para>
8096
8097 <para>
8098 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
8099 a lot which are not included, please tell us.
8100 </para>
8101
8102 <para>
8103 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
8104 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
8105 </para>
8106
8107 </sect2>
8108
8109 <sect2 id="rule-spec">
8110 <title>Specialisation
8111 </title>
8112
8113 <para>
8114 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
8115 present in earlier versions of GHC.
8116 For example, suppose that:
8117
8118 <programlisting>
8119 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
8120 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
8121 </programlisting>
8122
8123 where <function>intLookup</function> is an implementation of
8124 <function>genericLookup</function> that works very fast for
8125 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
8126 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
8127 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
8128 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
8129 It used to be possible to write
8130
8131 <programlisting>
8132 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
8133 </programlisting>
8134
8135 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
8136
8137 <programlisting>
8138 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
8139 </programlisting>
8140
8141 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
8142 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
8143 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
8144 What is more, this rule does not need to be in the same
8145 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
8146 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
8147 have an original definition available to specialise).
8148 </para>
8149
8150 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
8151 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
8152 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
8153
8154 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
8155 specialisation will Win Big:
8156
8157 <programlisting>
8158 toDouble :: Real a => a -> Double
8159 toDouble = fromRational . toRational
8160
8161 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
8162 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
8163 </programlisting>
8164
8165 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
8166 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
8167 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
8168 comparison.
8169 </para>
8170
8171 </sect2>
8172
8173 <sect2>
8174 <title>Controlling what's going on</title>
8175
8176 <para>
8177
8178 <itemizedlist>
8179 <listitem>
8180
8181 <para>
8182  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
8183 </para>
8184 </listitem>
8185 <listitem>
8186
8187 <para>
8188  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
8189 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
8190 </para>
8191 </listitem>
8192 <listitem>
8193
8194 <para>
8195  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks like this:
8196
8197 <programlisting>
8198         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
8199         {-# INLINE build #-}
8200         build g = g (:) []
8201 </programlisting>
8202
8203 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
8204 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
8205 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
8206 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
8207
8208 </para>
8209 </listitem>
8210 <listitem>
8211
8212 <para>
8213  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
8214 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
8215 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
8216 </para>
8217 </listitem>
8218
8219 </itemizedlist>
8220
8221 </para>
8222
8223 </sect2>
8224
8225 <sect2 id="core-pragma">
8226   <title>CORE pragma</title>
8227
8228   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
8229   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
8230   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
8231
8232 <para>
8233   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
8234   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
8235   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
8236   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
8237   literal as an argument.  The following function definition shows an
8238   example:
8239
8240 <programlisting>
8241 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
8242 </programlisting>
8243
8244   Semantically, this is equivalent to:
8245
8246 <programlisting>
8247 g x = show x
8248 </programlisting>
8249 </para>
8250
8251 <para>
8252   However, when external core is generated (via
8253   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
8254   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
8255   The core function declaration for <function>f</function> is:
8256 </para>
8257
8258 <programlisting>
8259   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
8260                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
8261     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
8262         (%note "foo"
8263          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
8264            {GHCziShow.ZCDShow
8265             (tpl1::GHCziBase.Int ->
8266                    a ->
8267                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8268 r)
8269             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
8270             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
8271                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8272 r) ->
8273               tpl2})
8274         (%note "bar"
8275          eta);
8276 </programlisting>
8277
8278 <para>
8279   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
8280   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
8281   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
8282   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
8283   <varname>x</varname>).
8284 </para>
8285
8286 </sect2>
8287
8288 </sect1>
8289
8290 <sect1 id="special-ids">
8291 <title>Special built-in functions</title>
8292 <para>GHC has a few built-in functions with special behaviour.  These
8293 are now described in the module <ulink
8294 url="../libraries/ghc-prim/GHC-Prim.html"><literal>GHC.Prim</literal></ulink>
8295 in the library documentation.</para>
8296 </sect1>
8297
8298
8299 <sect1 id="generic-classes">
8300 <title>Generic classes</title>
8301
8302 <para>
8303 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
8304 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
8305 An example will give the idea:
8306 </para>
8307
8308 <programlisting>
8309   import Generics
8310
8311   class Bin a where
8312     toBin   :: a -> [Int]
8313     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
8314   
8315     toBin {| Unit |}    Unit      = []
8316     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
8317     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
8318     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
8319   
8320     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
8321     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
8322     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
8323     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
8324                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
8325 </programlisting>
8326 <para>
8327 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
8328 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
8329 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
8330 </para>
8331 <programlisting>
8332   data Unit    = Unit
8333   data a :+: b = Inl a | Inr b
8334   data a :*: b = a :*: b
8335 </programlisting>
8336 <para>
8337 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
8338 <programlisting>
8339   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
8340   instance Bin a => Bin [a]
8341 </programlisting>
8342 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
8343 where clause and over-ride whichever methods you please.
8344 </para>
8345
8346     <sect2>
8347       <title> Using generics </title>
8348       <para>To use generics you need to</para>
8349       <itemizedlist>
8350         <listitem>
8351           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
8352                 <option>-XGenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
8353                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
8354                 available.  </para>
8355         </listitem>
8356         <listitem>
8357           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
8358           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
8359           scope the data types <literal>Unit</literal>,
8360           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
8361           don't need this import if you don't mention these types
8362           explicitly; for example, if you are simply giving instance
8363           declarations.)</para>
8364         </listitem>
8365       </itemizedlist>
8366     </sect2>
8367
8368 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
8369 <para>
8370 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
8371 can be written infix (indeed, you can now use
8372 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
8373 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
8374 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
8375 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
8376 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
8377 anticipate wanting).
8378 </para>
8379 </sect2>
8380
8381 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
8382 <para>
8383 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
8384 is one that is defined using type patterns as above.
8385 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
8386 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
8387 generic default method.
8388 </para>
8389
8390 <para>
8391 Restrictions:
8392 <itemizedlist>
8393 <listitem>
8394 <para>
8395 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
8396 field labels.
8397 </para>
8398 </listitem>
8399
8400 <listitem>
8401 <para>
8402 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
8403 multi-parameter class.
8404 </para>
8405 </listitem>
8406
8407 <listitem>
8408 <para>
8409 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
8410 without.  So this is illegal:
8411 <programlisting>
8412   class Foo a where
8413     op :: a -> (a, Bool)
8414     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
8415     op x               = (x,    False)
8416 </programlisting>
8417 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
8418 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
8419 </para>
8420 </listitem>
8421
8422 <listitem>
8423 <para>
8424 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
8425 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:
8426 <programlisting>
8427   class Foo a where
8428     op :: a -> Bool
8429     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
8430     ...
8431 </programlisting>
8432 </para>
8433 </listitem>
8434
8435 <listitem>
8436 <para>
8437 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
8438 <programlisting>
8439        a :+: b
8440        a :*: b
8441        Unit
8442 </programlisting>
8443 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
8444 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
8445 must use the same type variables.  So this is illegal:
8446 <programlisting>
8447   class Foo a where
8448     op :: a -> Bool
8449     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
8450     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
8451 </programlisting>
8452 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
8453 So this too is illegal:
8454 <programlisting>
8455   class Foo a where
8456     op1 :: a -> Bool
8457     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
8458
8459     op2 :: a -> Bool
8460     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
8461 </programlisting>
8462 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type constructor
8463 into a single generic instance declaration.)
8464 </para>
8465 </listitem>
8466
8467 <listitem>
8468 <para>
8469 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
8470 </para>
8471 </listitem>
8472
8473 <listitem>
8474 <para>
8475 The type for a generic method can be built only from:
8476   <itemizedlist>
8477   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
8478   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
8479   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
8480   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
8481   </itemizedlist>
8482 Here are some example type signatures for generic methods:
8483 <programlisting>
8484     op1 :: a -> Bool
8485     op2 :: Bool -> (a,Bool)
8486     op3 :: [Int] -> a -> a
8487     op4 :: [a] -> Bool
8488 </programlisting>
8489 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
8490 inside a list.  
8491 </para>
8492 <para>
8493 This restriction is an implementation restriction: we just haven't got around to
8494 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
8495 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
8496 to the ones that are allowed.</para>
8497 </listitem>
8498
8499 <listitem>
8500 <para>
8501 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
8502 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
8503 do so if
8504   <itemizedlist>
8505   <listitem>
8506   <para>
8507   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
8508   </para>
8509   </listitem>
8510   <listitem>
8511   <para>
8512   No constructor of the instance type has unboxed fields.
8513   </para>
8514   </listitem>
8515   </itemizedlist>
8516 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
8517 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
8518 provided you give explicit code to override any generic default methods.
8519 </para>
8520 </listitem>
8521
8522 </itemizedlist>
8523 </para>
8524
8525 <para>
8526 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
8527 what the compiler does with generic declarations.
8528 </para>
8529
8530 </sect2>
8531
8532 <sect2> <title> Another example </title>
8533 <para>
8534 Just to finish with, here's another example I rather like:
8535 <programlisting>
8536   class Tag a where
8537     nCons :: a -> Int
8538     nCons {| Unit |}    _ = 1
8539     nCons {| a :*: b |} _ = 1
8540     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
8541   
8542     tag :: a -> Int
8543     tag {| Unit |}    _       = 1
8544     tag {| a :*: b |} _       = 1   
8545     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
8546     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
8547 </programlisting>
8548 </para>
8549 </sect2>
8550 </sect1>
8551
8552 <sect1 id="monomorphism">
8553 <title>Control over monomorphism</title>
8554
8555 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
8556 carried out at let and where bindings.
8557 </para>
8558
8559 <sect2>
8560 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
8561           <indexterm><primary><option>-XNoMonomorphismRestriction</option></primary></indexterm>
8562
8563 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
8564 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
8565 4.5.5</ulink>
8566 of the Haskell Report)
8567 can be completely switched off by
8568 <option>-XNoMonomorphismRestriction</option>.
8569 </para>
8570 </sect2>
8571
8572 <sect2>
8573 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
8574           <indexterm><primary><option>-XNoMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8575           <indexterm><primary><option>-XMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8576
8577           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
8578           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
8579             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
8580             and is not a simple variable.  For example:
8581 <programlisting>
8582   f x = x                    -- Not a pattern binding
8583   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
8584   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
8585
8586   (g,h) = e                  -- A pattern binding
8587   (f) = e                    -- A pattern binding
8588   [x] = e                    -- A pattern binding
8589 </programlisting>
8590 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
8591 default</emphasis>.  Use <option>-XNoMonoPatBinds</option> to recover the
8592 standard behaviour.
8593 </para>
8594 </sect2>
8595 </sect1>
8596
8597
8598
8599 <!-- Emacs stuff:
8600      ;;; Local Variables: ***
8601      ;;; mode: xml ***
8602      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
8603      ;;; ispell-local-dictionary: "british" ***
8604      ;;; End: ***
8605  -->
8606