4475af4bf523653d46d60994578da9bd5b66045c
[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>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum.</para>
110
111           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
112         </listitem>
113       </varlistentry>
114
115       <varlistentry>
116         <term>
117           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>,<option>-fno-mono-pat-binds</option>:
118         </term>
119         <listitem>
120           <para> These two flags control how generalisation is done.
121             See <xref linkend="monomorphism"/>.
122           </para>
123         </listitem>
124       </varlistentry>
125
126       <varlistentry>
127         <term>
128           <option>-fextended-default-rules</option>:
129           <indexterm><primary><option>-fextended-default-rules</option></primary></indexterm>
130         </term>
131         <listitem>
132           <para> Use GHCi's extended default rules in a regular module (<xref linkend="extended-default-rules"/>).
133           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
134           flag. </para>
135         </listitem>
136       </varlistentry>
137
138       <varlistentry>
139         <term>
140           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
141           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
142         </term>
143         <term>
144           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
145           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
146         </term>
147         <term>
148           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
149           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
150         </term>
151         <term>
152           <option>-fcontext-stack=N</option>
153           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
154         </term>
155         <listitem>
156           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
157           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
158         </listitem>
159       </varlistentry>
160
161       <varlistentry>
162         <term>
163           <option>-finline-phase</option>
164           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
165         </term>
166         <listitem>
167           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
168           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
169         </listitem>
170       </varlistentry>
171
172       <varlistentry>
173         <term>
174           <option>-farrows</option>
175           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
176         </term>
177         <listitem>
178           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
179           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
180
181           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
182           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
183           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
184           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
185
186           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
187           <literal>|)</literal>.</para>
188         </listitem>
189       </varlistentry>
190
191       <varlistentry>
192         <term>
193           <option>-fgenerics</option>
194           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
195         </term>
196         <listitem>
197           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
198           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
199         </listitem>
200       </varlistentry>
201
202       <varlistentry>
203         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
204         <listitem>
205           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
206           option</primary></indexterm> GHC normally imports
207           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
208           rather it didn't, then give it a
209           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
210           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
211           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
212           namespace is flat, and you must not conflict with any
213           Prelude module.)</para>
214
215           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
216           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
217           Prelude types and values, as specified by the Haskell
218           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
219           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
220           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
221           translation for list comprehensions continues to use
222           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
223
224           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
225           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
226           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
227         </listitem>
228       </varlistentry>
229
230       <varlistentry>
231         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
232         <listitem>
233           <para>Enables implicit parameters (see <xref
234           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
235           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
236
237           <para>Syntax stolen:
238           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
239           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
240         </listitem>
241       </varlistentry>
242
243       <varlistentry>
244         <term><option>-foverloaded-strings</option></term>
245         <listitem>
246           <para>Enables overloaded string literals (see <xref
247           linkend="overloaded-strings"/>).</para>
248         </listitem>
249       </varlistentry>
250
251       <varlistentry>
252         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
253         <listitem>
254           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
255           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
256           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
257         </listitem>
258       </varlistentry>
259
260       <varlistentry>
261         <term><option>-fth</option></term>
262         <listitem>
263           <para>Enables Template Haskell (see <xref
264           linkend="template-haskell"/>).  This flag must
265           be given explicitly; it is no longer implied by
266           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
267
268           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
269           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
270           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
271           <literal>$(</literal>,
272           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
273         </listitem>
274       </varlistentry>
275
276     </variablelist>
277   </sect1>
278
279 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
280 <!--    included from primitives.sgml  -->
281 <!-- &primitives; -->
282 <sect1 id="primitives">
283   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
284
285 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
286 While you really can use this stuff to write fast code,
287   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
288   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
289   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
290   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
291   about it.</para>
292
293 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
294 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
295 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
296 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
297
298 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
299 work over those types, is held in the file
300 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
301 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
302 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
303
304 <para> Indeed,
305 the result of such processing is part of the description of the 
306  <ulink
307       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
308          Core language</ulink>.
309 So that document is a good place to look for a type-set version.
310 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
311 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
312 we could include the results here in the User Guide.</para>
313
314 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
315   
316 <sect2 id="glasgow-unboxed">
317 <title>Unboxed types
318 </title>
319
320 <para>
321 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
322 </para>
323
324 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
325 that values of that type are represented by a pointer to a heap
326 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
327 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
328 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
329 allocation are involved.
330 </para>
331
332 <para>
333 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
334 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
335 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
336 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
337 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
338 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
339 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
340 know and love&mdash;usually one instruction.
341 </para>
342
343 <para>
344 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
345 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
346 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
347 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
348 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
349 </para>
350
351 <para>
352 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
353 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
354 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
355 a primitive value might be represented by a pointer to a
356 heap-allocated object.  Examples include
357 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
358 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
359 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
360 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
361 represents a primitive value, then it really does point to that value:
362 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
363 other end of the pointer than the primitive value.
364 A numerically-intensive program using unboxed types can
365 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
366 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
367 </para>
368
369 <para>
370 There are some restrictions on the use of primitive types:
371 <itemizedlist>
372 <listitem><para>The main restriction
373 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
374 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
375 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
376 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
377 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
378 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
379 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
380 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
381 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
382 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
383 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
384 </para>
385 </listitem>
386 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
387 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
388 </para></listitem>
389 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
390 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
391 </para></listitem>
392 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
393 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
394 pattern-match
395 to become strict.  For example:
396 <programlisting>
397   data Foo = Foo Int Int#
398
399   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
400 </programlisting>
401 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
402 match
403 is strict, and the program behaves as if you had written
404 <programlisting>
405   data Foo = Foo Int Int#
406
407   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
408 </programlisting>
409 </para>
410 </listitem>
411 </itemizedlist>
412 </para>
413
414 </sect2>
415
416 <sect2 id="unboxed-tuples">
417 <title>Unboxed Tuples
418 </title>
419
420 <para>
421 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
422 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
423 unboxed tuple looks like this:
424 </para>
425
426 <para>
427
428 <programlisting>
429 (# e_1, ..., e_n #)
430 </programlisting>
431
432 </para>
433
434 <para>
435 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
436 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
437 the same.
438 </para>
439
440 <para>
441 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
442 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
443 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
444 components are put directly into registers or on the stack; the
445 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
446 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
447 tuples.
448 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
449 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
450 </para>
451
452 <para>
453 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
454 <itemizedlist>
455 <listitem>
456
457 <para>
458 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
459 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
460 structures or passed to polymorphic functions.
461
462 </para>
463 </listitem>
464 <listitem>
465
466 <para>
467 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
468 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
469
470
471 <programlisting>
472   data Foo = Foo (# Int, Int #)
473
474   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
475   f x = x
476
477   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
478   g (# a,b #) = a
479
480   h x = let y = (# x,x #) in ...
481 </programlisting>
482 </para>
483 </listitem>
484 </itemizedlist>
485 </para>
486 <para>
487 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
488 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
489 <programlisting>
490   f x y = (# x+1, y-1 #)
491   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
492 </programlisting>
493 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
494 <programlisting>
495   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
496 </programlisting>
497 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
498 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
499 above example desugars like this:
500 <programlisting>
501   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
502             p = fst t
503             q = snd t
504         in ..body..
505 </programlisting>
506 Indeed, the bindings can even be recursive.
507 </para>
508
509 </sect2>
510 </sect1>
511
512
513 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
514
515 <sect1 id="syntax-extns">
516 <title>Syntactic extensions</title>
517  
518     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
519
520     <sect2 id="hierarchical-modules">
521       <title>Hierarchical Modules</title>
522
523       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
524       names: a module name is allowed to contain a dot
525       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
526       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
527       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
528       more flexible hierarchy of modules.</para>
529
530       <para>This extension has very little impact on the language
531       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
532       qualified, so you can just think of the fully qualified module
533       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
534       means that the full module name must be given after the
535       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
536       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
537       begin</para>
538
539 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
540
541
542       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
543       keyword to save some typing when using qualified names with
544       hierarchical modules.  For example:</para>
545
546 <programlisting>
547 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
548 </programlisting>
549
550       <para>For details on how GHC searches for source and interface
551       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
552       linkend="search-path"/>.</para>
553
554       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
555       hierarchically; see the accompanying library documentation.
556       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
557       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
558       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
559       current status of that project.  For more details, see <ulink
560       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
561       Libraries</ulink>.</para>
562
563     </sect2>
564
565     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
566
567 <sect2 id="pattern-guards">
568 <title>Pattern guards</title>
569
570 <para>
571 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
572 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.)
573 </para>
574
575 <para>
576 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
577 lookup operation:
578
579 <programlisting>
580 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
581 </programlisting>
582
583 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
584 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
585 </para>
586
587 <programlisting>
588 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
589 | otherwise  = var1 + var2
590 where
591   m1 = lookup env var1
592   m2 = lookup env var2
593   ok1 = maybeToBool m1
594   ok2 = maybeToBool m2
595   val1 = expectJust m1
596   val2 = expectJust m2
597 </programlisting>
598
599 <para>
600 The auxiliary functions are 
601 </para>
602
603 <programlisting>
604 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
605 maybeToBool (Just x) = True
606 maybeToBool Nothing  = False
607
608 expectJust :: Maybe a -&gt; a
609 expectJust (Just x) = x
610 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
611 </programlisting>
612
613 <para>
614 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
615 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
616 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
617 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
618 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
619 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
620 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
621 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
622 </para>
623
624 <para>
625 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
626 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
627 to write clunky would be to use case expressions:
628 </para>
629
630 <programlisting>
631 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
632   Nothing -&gt; fail
633   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
634     Nothing -&gt; fail
635     Just val2 -&gt; val1 + val2
636 where
637   fail = var1 + var2
638 </programlisting>
639
640 <para>
641 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
642 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
643 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
644 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
645 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
646 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
647 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
648 tends to become more and more indented. 
649 </para>
650
651 <para>
652 Here is how I would write clunky:
653 </para>
654
655 <programlisting>
656 clunky env var1 var2
657   | Just val1 &lt;- lookup env var1
658   , Just val2 &lt;- lookup env var2
659   = val1 + val2
660 ...other equations for clunky...
661 </programlisting>
662
663 <para>
664 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
665 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
666 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
667 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
668 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
669 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
670 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
671 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
672 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
673 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
674 </para>
675
676 <para>
677 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
678 with among the pattern guards.  For example:
679 </para>
680
681 <programlisting>
682 f x | [y] &lt;- x
683     , y > 3
684     , Just z &lt;- h y
685     = ...
686 </programlisting>
687
688 <para>
689 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
690 qualifier list has just one element, a boolean expression.
691 </para>
692 </sect2>
693
694     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
695
696 <sect2 id="mdo-notation">
697 <title>The recursive do-notation
698 </title>
699
700 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
701 "A recursive do for Haskell",
702 Levent Erkok, John Launchbury",
703 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
704 </para>
705 <para>
706 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
707 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
708 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
709 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
710 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
711 </para>
712 <para>
713 Here is a simple (yet contrived) example:
714 </para>
715 <programlisting>
716 import Control.Monad.Fix
717
718 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
719                return xs
720 </programlisting>
721 <para>
722 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
723 </para>
724
725 <para>
726 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
727 </para>
728 <programlisting>
729 class Monad m => MonadFix m where
730    mfix :: (a -> m a) -> m a
731 </programlisting>
732 <para>
733 The function <literal>mfix</literal>
734 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
735 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
736 For details, see the above mentioned reference.
737 </para>
738 <para>
739 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
740 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
741 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
742 </para>
743 <para>
744 There are three important points in using the recursive-do notation:
745 <itemizedlist>
746 <listitem><para>
747 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
748 than <literal>do</literal>).
749 </para></listitem>
750
751 <listitem><para>
752 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
753 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
754 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
755 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
756 </para></listitem>
757
758 <listitem><para>
759 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
760 </para></listitem>
761 </itemizedlist>
762 </para>
763
764 <para>
765 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
766 contains up to date information on recursive monadic bindings.
767 </para>
768
769 <para>
770 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
771 of the existing documents) used the name
772 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
773 This name is not supported by GHC.
774 </para>
775
776 </sect2>
777
778
779    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
780
781   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
782     <title>Parallel List Comprehensions</title>
783     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
784     </indexterm>
785     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
786     </indexterm>
787
788     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
789     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
790     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
791     extend this to include the zipWith family.</para>
792
793     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
794     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
795     example, the following zips together two lists:</para>
796
797 <programlisting>
798    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
799 </programlisting>
800
801     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
802     zip, in that the resulting list will have the same length as the
803     shortest branch.</para>
804
805     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
806     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
807
808     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
809
810 <programlisting>
811    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
812        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
813        ... 
814    ] 
815 </programlisting>
816
817     <para>This will be translated to: </para>
818
819 <programlisting>
820    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
821                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
822                                          ... 
823    ] 
824 </programlisting>
825
826     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
827     branches.</para>
828
829   </sect2>
830
831 <sect2 id="rebindable-syntax">
832 <title>Rebindable syntax</title>
833
834
835       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
836       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
837       with a home-grown version, for example.</para>
838
839             <para>You may want to define your own numeric class
840             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
841             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
842             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
843             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
844             the following pieces of built-in syntax to refer to
845             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
846             versions:
847
848             <itemizedlist>
849               <listitem>
850                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
851                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
852                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
853 </para> </listitem>         
854
855       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
856           except that the translation is 
857               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
858 </para> </listitem>         
859
860           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
861               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
862 </para> </listitem>         
863
864           <listitem><para>The subtraction operation, and the
865           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
866               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
867               </para></listitem>
868
869               <listitem>
870                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
871                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
872                 patterns, and expressions.
873               </para></listitem>
874
875               <listitem>
876           <para>"Do" notation is translated using whatever
877               functions <literal>(>>=)</literal>,
878               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
879               are in scope (not the Prelude
880               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
881               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
882
883               <listitem>
884                 <para>Arrow
885                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
886                 uses whatever <literal>arr</literal>,
887                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
888                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
889                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
890                 other constructs, the types of these functions must match the
891                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
892                 to use this, ask!
893               </para></listitem>
894             </itemizedlist>
895 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
896 even if that is a little unexpected. For emample, the 
897 static semantics of the literal <literal>368</literal>
898 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
899 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
900 <programlisting>
901 fromInteger :: Integer -> Integer
902 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
903 fromInteger :: Num a => a -> Integer
904 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
905 </programlisting>
906 </para>
907                 
908              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
909              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
910              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
911              you should be all right.</para>
912
913 </sect2>
914
915 <sect2 id="postfix-operators">
916 <title>Postfix operators</title>
917
918 <para>
919 GHC allows a small extension to the syntax of left operator sections, which
920 allows you to define postfix operators.  The extension is this:  the left section
921 <programlisting>
922   (e !)
923 </programlisting> 
924 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
925 <programlisting>
926   ((!) e)
927 </programlisting> 
928 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
929 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
930 <programlisting>
931   (\y -> (!) e y)
932 </programlisting> 
933 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
934 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
935 postfix.
936 </para>
937 <para>Since this extension goes beyond Haskell 98, it should really be enabled
938 by a flag; but in fact it is enabled all the time.  (No Haskell 98 programs
939 change their behaviour, of course.)
940 </para>
941 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
942 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
943
944 </sect2>
945
946 </sect1>
947
948
949 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
950 <sect1 id="data-type-extensions">
951 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
952
953 <sect2 id="nullary-types">
954 <title>Data types with no constructors</title>
955
956 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
957 a data type with no constructors.  For example:</para>
958
959 <programlisting>
960   data S      -- S :: *
961   data T a    -- T :: * -> *
962 </programlisting>
963
964 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
965 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
966 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
967 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
968
969 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
970 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
971 </sect2>
972
973 <sect2 id="infix-tycons">
974 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
975
976 <para>
977 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
978 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
979 <itemizedlist>
980 <listitem><para>
981   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
982   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
983   </para></listitem>
984 <listitem><para>
985   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
986   if you want further arguments.  E.g.
987 <screen>
988   data a :*: b = Foo a b
989   type a :+: b = Either a b
990   class a :=: b where ...
991
992   data (a :**: b) x = Baz a b x
993   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
994 </screen>
995   </para></listitem>
996 <listitem><para>
997   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
998   <screen>
999         x :: Int :*: Bool
1000         f :: (a :=: b) => a -> b
1001   </screen>
1002   </para></listitem>
1003 <listitem><para>
1004   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1005   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1006   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1007   parenthesised.  For example:
1008 <programlisting>
1009    type T (+) = Int + Int
1010    f :: T Either
1011    f = Left 3
1012  
1013    liftA2 :: Arrow (~>)
1014           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1015    liftA2 = ...
1016 </programlisting>
1017   </para></listitem>
1018 <listitem><para>
1019   Back-quotes work
1020   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1021   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1022   </para></listitem>
1023 <listitem><para>
1024   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1025   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1026   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1027 <screen>
1028   infixl 7 T, :*:
1029 </screen>
1030   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1031   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1032   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1033   </para></listitem>
1034 <listitem><para>
1035   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1036   </para></listitem>
1037
1038 </itemizedlist>
1039 </para>
1040 </sect2>
1041
1042 <sect2 id="type-synonyms">
1043 <title>Liberalised type synonyms</title>
1044
1045 <para>
1046 Type synonyms are like macros at the type level, and
1047 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1048 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1049 <itemizedlist>
1050 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1051 in a type synonym, thus:
1052 <programlisting>
1053   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1054
1055   f :: Discard a
1056   f x y = (x, show y)
1057
1058   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1059   g f = f 3 True
1060 </programlisting>
1061 </para>
1062 </listitem>
1063
1064 <listitem><para>
1065 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1066 <programlisting>
1067   type Pr = (# Int, Int #)
1068
1069   h :: Int -> Pr
1070   h x = (# x, x #)
1071 </programlisting>
1072 </para></listitem>
1073
1074 <listitem><para>
1075 You can apply a type synonym to a forall type:
1076 <programlisting>
1077   type Foo a = a -> a -> Bool
1078  
1079   f :: Foo (forall b. b->b)
1080 </programlisting>
1081 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1082 <programlisting>
1083   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1084 </programlisting>
1085 </para></listitem>
1086
1087 <listitem><para>
1088 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1089 <programlisting>
1090   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1091   type Id x = x
1092   
1093   foo :: Generic Id []
1094 </programlisting>
1095 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1096 <programlisting>
1097   foo :: forall x. x -> [x]
1098 </programlisting>
1099 </para></listitem>
1100
1101 </itemizedlist>
1102 </para>
1103
1104 <para>
1105 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1106 could be changed.)
1107 </para>
1108 <para>
1109 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1110 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1111 <itemizedlist>
1112 <listitem><para>
1113 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1114 </para></listitem>
1115 <listitem><para>
1116 Unboxed tuple on left of an arrow.
1117 </para></listitem>
1118 <listitem><para>
1119 Partially-applied type synonym.
1120 </para></listitem>
1121 </itemizedlist>
1122 So, for example,
1123 this will be rejected:
1124 <programlisting>
1125   type Pr = (# Int, Int #)
1126
1127   h :: Pr -> Int
1128   h x = ...
1129 </programlisting>
1130 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1131 </para>
1132 </sect2>
1133
1134
1135 <sect2 id="existential-quantification">
1136 <title>Existentially quantified data constructors
1137 </title>
1138
1139 <para>
1140 The idea of using existential quantification in data type declarations
1141 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1142 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1143 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1144 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1145 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1146 It's been in Lennart
1147 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1148 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1149 </para>
1150
1151 <para>
1152
1153 <programlisting>
1154   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1155            | Nil
1156 </programlisting>
1157
1158 </para>
1159
1160 <para>
1161 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1162 </para>
1163
1164 <para>
1165
1166 <programlisting>
1167   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1168   Nil   :: Foo
1169 </programlisting>
1170
1171 </para>
1172
1173 <para>
1174 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1175 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1176 For example, the following expression is fine:
1177 </para>
1178
1179 <para>
1180
1181 <programlisting>
1182   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1183 </programlisting>
1184
1185 </para>
1186
1187 <para>
1188 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1189 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1190 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1191 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1192 </para>
1193
1194 <para>
1195 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1196 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1197 </para>
1198
1199 <para>
1200
1201 <programlisting>
1202   f (MkFoo val fn) = ???
1203 </programlisting>
1204
1205 </para>
1206
1207 <para>
1208 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1209 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1210 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1211 </para>
1212
1213 <para>
1214
1215 <programlisting>
1216   f :: Foo -> Bool
1217   f (MkFoo val fn) = fn val
1218 </programlisting>
1219
1220 </para>
1221
1222 <para>
1223 What this allows us to do is to package heterogenous values
1224 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1225 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1226 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1227 </para>
1228
1229 <sect3 id="existential">
1230 <title>Why existential?
1231 </title>
1232
1233 <para>
1234 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1235 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1236 </para>
1237
1238 <para>
1239
1240 <programlisting>
1241   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1242 </programlisting>
1243
1244 </para>
1245
1246 <para>
1247 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1248 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1249 adding a new existential quantification construct.
1250 </para>
1251
1252 </sect3>
1253
1254 <sect3>
1255 <title>Type classes</title>
1256
1257 <para>
1258 An easy extension is to allow
1259 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1260 </para>
1261
1262 <para>
1263
1264 <programlisting>
1265 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1266          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1267 </programlisting>
1268
1269 </para>
1270
1271 <para>
1272 The two constructors have the types you'd expect:
1273 </para>
1274
1275 <para>
1276
1277 <programlisting>
1278 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1279 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1280 </programlisting>
1281
1282 </para>
1283
1284 <para>
1285 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1286 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1287 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1288 So this program is legal:
1289 </para>
1290
1291 <para>
1292
1293 <programlisting>
1294   f :: Baz -> String
1295   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1296                | otherwise = "No"
1297   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1298 </programlisting>
1299
1300 </para>
1301
1302 <para>
1303 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1304 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1305 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1306 extract it on pattern matching.
1307 </para>
1308
1309 <para>
1310 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1311 universal quantification earlier.
1312 </para>
1313
1314 </sect3>
1315
1316 <sect3 id="existential-records">
1317 <title>Record Constructors</title>
1318
1319 <para>
1320 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1321
1322 <programlisting>
1323 data Counter a = forall self. NewCounter
1324     { _this    :: self
1325     , _inc     :: self -> self
1326     , _display :: self -> IO ()
1327     , tag      :: a
1328     }
1329 </programlisting>
1330 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1331 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1332 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1333 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
1334 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1335 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1336 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1337 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1338 </para>
1339
1340 <para>
1341 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1342
1343 <programlisting>
1344 inc :: Counter a -> Counter a
1345 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1346     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1347
1348 display :: Counter a -> IO ()
1349 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1350 </programlisting>
1351
1352 Now we can define counters with different underlying implementations:
1353
1354 <programlisting>
1355 counterA :: Counter String 
1356 counterA = NewCounter
1357     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1358
1359 counterB :: Counter String 
1360 counterB = NewCounter
1361     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1362
1363 main = do
1364     display (inc counterA)         -- prints "1"
1365     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1366 </programlisting>
1367
1368 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1369 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1370
1371 <programlisting>
1372 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1373 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1374 setTag obj t = obj{ tag = t }
1375 </programlisting>
1376
1377 </para>
1378
1379 </sect3>
1380
1381
1382 <sect3>
1383 <title>Restrictions</title>
1384
1385 <para>
1386 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1387 constructors can be use.
1388 </para>
1389
1390 <para>
1391
1392 <itemizedlist>
1393 <listitem>
1394
1395 <para>
1396  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1397 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1398 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1399 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1400
1401
1402 <programlisting>
1403 f1 (MkFoo a f) = a
1404 </programlisting>
1405
1406
1407 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1408 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1409 ask what type <function>f1</function> has:
1410
1411
1412 <programlisting>
1413   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1414 </programlisting>
1415
1416
1417 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1418 this:
1419
1420
1421 <programlisting>
1422   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1423 </programlisting>
1424
1425
1426 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1427
1428
1429 <programlisting>
1430   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1431 </programlisting>
1432
1433
1434 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1435 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1436 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1437
1438
1439 </para>
1440 </listitem>
1441 <listitem>
1442
1443 <para>
1444 You can't pattern-match on an existentially quantified
1445 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1446 bindings. So this is illegal:
1447
1448
1449 <programlisting>
1450   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1451 </programlisting>
1452
1453 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1454
1455 <programlisting>
1456   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1457 </programlisting>
1458
1459 In general, you can only pattern-match
1460 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1461 in the patterns of a function definition.
1462
1463 The reason for this restriction is really an implementation one.
1464 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1465 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1466 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1467 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1468 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1469 annoying it is.
1470
1471 </para>
1472 </listitem>
1473 <listitem>
1474
1475 <para>
1476 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1477 declarations.  So this is illegal:
1478
1479
1480 <programlisting>
1481   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1482 </programlisting>
1483
1484
1485 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1486 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1487 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1488 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1489 You can get just the same efficiency and effect by using
1490 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1491 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1492 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1493 because the <literal>data</literal> version does carry an
1494 implementation cost, but single-field existentially quantified
1495 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1496 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1497 are convincing reasons to change it.
1498
1499
1500 </para>
1501 </listitem>
1502 <listitem>
1503
1504 <para>
1505  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1506 data type with existentially quantified data constructors.
1507
1508 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
1509
1510 <programlisting>
1511 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1512 </programlisting>
1513
1514 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1515 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1516
1517 <programlisting>
1518 instance Eq T where
1519   (MkT a) == (MkT b) = ???
1520 </programlisting>
1521
1522 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1523 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1524 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1525 declarations.  Define your own instances!
1526 </para>
1527 </listitem>
1528
1529 </itemizedlist>
1530
1531 </para>
1532
1533 </sect3>
1534 </sect2>
1535
1536 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
1537
1538 <sect2 id="gadt-style">
1539 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
1540
1541 <para>GHC allows you to declare an algebraic data type by 
1542 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
1543 <programlisting>
1544   data Maybe a where
1545       Nothing :: Maybe a
1546       Just    :: a -> Maybe a
1547 </programlisting>
1548 The form is called a "GADT-style declaration"
1549 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
1550 can only be declared using this form.</para>
1551 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
1552 For example, these two declarations are equivalent:
1553 <programlisting>
1554   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1555   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
1556 </programlisting>
1557 </para>
1558 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
1559 can also be declared using GADT-style syntax.
1560 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
1561 they treat class constraints on the data constructors differently.
1562 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
1563 context is made available by pattern matching.  For example:
1564 <programlisting>
1565   data Set a where
1566     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
1567
1568   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
1569   makeSet xs = MkSet (nub xs)
1570
1571   insert :: a -> Set a -> Set a
1572   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
1573                       | otherwise   = MkSet (a:as)
1574 </programlisting>
1575 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
1576 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
1577 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
1578 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
1579 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
1580 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
1581 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
1582 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
1583 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
1584 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
1585 </para>
1586 <para>This behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treament of 
1587 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
1588 In Haskell 98 the defintion
1589 <programlisting>
1590   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
1591 </programlisting>
1592 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
1593 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
1594 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
1595 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
1596 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.</para>
1597 <para>
1598 For example, a possible application of GHC's behaviour is to reify dictionaries:
1599 <programlisting>
1600    data NumInst a where
1601      MkNumInst :: Num a => NumInst a
1602
1603    intInst :: NumInst Int
1604    intInst = MkNumInst
1605
1606    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
1607    plus MkNumInst p q = p + q
1608 </programlisting>
1609 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
1610 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
1611 </para>
1612
1613 <para>
1614 The rest of this section gives further details about GADT-style data
1615 type declarations.
1616
1617 <itemizedlist>
1618 <listitem><para>
1619 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
1620 If the result type of all constructors 
1621 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
1622 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
1623 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
1624 </para></listitem>
1625
1626 <listitem><para>
1627 The type signature of
1628 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
1629 Different constructors may have different universally-quantified type variables
1630 and different type-class constraints.  
1631 For example, this is fine:
1632 <programlisting>
1633   data T a where
1634     T1 :: Eq b => b -> T b
1635     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
1636 </programlisting>
1637 </para></listitem>
1638
1639 <listitem><para>
1640 Unlike a Haskell-98-style 
1641 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
1642 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
1643 <programlisting>
1644   data Set :: * -> * where ...
1645 </programlisting>
1646 or even a mixture of the two:
1647 <programlisting>
1648   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
1649 </programlisting>
1650 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
1651 like this:
1652 <programlisting>
1653   data Foo a (b :: * -> *) where ...
1654 </programlisting>
1655 </para></listitem>
1656
1657
1658 <listitem><para>
1659 You can use strictness annotations, in the obvious places
1660 in the constructor type:
1661 <programlisting>
1662   data Term a where
1663       Lit    :: !Int -> Term Int
1664       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
1665       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
1666 </programlisting>
1667 </para></listitem>
1668
1669 <listitem><para>
1670 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
1671 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
1672 <programlisting>
1673   data Maybe1 a where {
1674       Nothing1 :: Maybe1 a ;
1675       Just1    :: a -> Maybe1 a
1676     } deriving( Eq, Ord )
1677
1678   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
1679        deriving( Eq, Ord )
1680 </programlisting>
1681 </para></listitem>
1682
1683 <listitem><para>
1684 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
1685
1686 <programlisting>
1687   data Person where
1688       Adult { name :: String, children :: [Person] } :: Person
1689       Child { name :: String } :: Person
1690 </programlisting>
1691 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
1692 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
1693 </para>
1694 <para>
1695 At the moment, record updates are not yet possible with GADT-style declarations, 
1696 so support is limited to record construction, selection and pattern matching.
1697 For exmaple
1698 <programlisting>
1699   aPerson = Adult { name = "Fred", children = [] }
1700
1701   shortName :: Person -> Bool
1702   hasChildren (Adult { children = kids }) = not (null kids)
1703   hasChildren (Child {})                  = False
1704 </programlisting>
1705 </para></listitem>
1706
1707 <listitem><para> 
1708 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
1709 (<xref linkend="existential-records"/>),
1710 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
1711 selectors.  
1712 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
1713 <programlisting>
1714 data Counter a where
1715     NewCounter { _this    :: self
1716                , _inc     :: self -> self
1717                , _display :: self -> IO ()
1718                , tag      :: a
1719                }
1720         :: Counter a
1721 </programlisting>
1722 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
1723 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
1724 </para></listitem>
1725 </itemizedlist></para>
1726 </sect2>
1727
1728 <sect2 id="gadt">
1729 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
1730
1731 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
1732 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
1733 <programlisting>
1734   data Term a where
1735       Lit    :: Int -> Term Int
1736       Succ   :: Term Int -> Term Int
1737       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
1738       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
1739       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
1740 </programlisting>
1741 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
1742 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
1743 write a well-typed <literal>eval</literal> function
1744 for these <literal>Terms</literal>:
1745 <programlisting>
1746   eval :: Term a -> a
1747   eval (Lit i)      = i
1748   eval (Succ t)     = 1 + eval t
1749   eval (IsZero t)   = eval t == 0
1750   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
1751   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
1752 </programlisting>
1753 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
1754 For example, in the right hand side of the equation
1755 <programlisting>
1756   eval :: Term a -> a
1757   eval (Lit i) =  ...
1758 </programlisting>
1759 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
1760 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
1761 but the design closely follows that described in
1762 the paper <ulink
1763 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/index.htm">Simple
1764 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
1765 (ICFP 2006).
1766 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
1767 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
1768 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
1769 and lots of obscure error messages will
1770 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
1771 <programlisting>
1772   eval :: Term a -> a -> a
1773   eval (Lit i) j =  i+j
1774 </programlisting>
1775 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
1776 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
1777 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
1778 </para>
1779 <para>
1780 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
1781 Tim Sheard. There is a longer introduction
1782 <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
1783 and Ralf Hinze's
1784 <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
1785 may use different notation to that implemented in GHC.
1786 </para>
1787 <para>
1788 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs. 
1789 <itemizedlist>
1790 <listitem><para>
1791 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
1792 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
1793 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
1794 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
1795 For example, in the <literal>Term</literal> data
1796 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
1797 the <literal>ty</literal> may not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
1798 constructor).
1799 </para></listitem>
1800
1801 <listitem><para>
1802 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
1803 an ordianary data type.
1804 </para></listitem>
1805
1806 <listitem><para>
1807 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
1808 For example:
1809 <programlisting>
1810   data Term a where
1811       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
1812       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
1813       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
1814       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
1815       Pair   { arg1 :: Term a
1816              , arg2 :: Term b
1817              }                    :: Term (a,b)
1818       If     { cnd  :: Term Bool
1819              , tru  :: Term a
1820              , fls  :: Term a
1821              }                    :: Term a
1822 </programlisting>
1823 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
1824 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
1825 the same result type (modulo alpha conversion)
1826 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
1827 and <literal>arg</literal> fields above into a 
1828 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
1829 their selector functions actually have different types:
1830
1831 <programlisting>
1832   num :: Term Int -> Term Int
1833   arg :: Term Bool -> Term Int
1834 </programlisting>
1835 </para></listitem>
1836
1837 </itemizedlist>
1838 </para>
1839
1840 </sect2>
1841
1842 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
1843
1844
1845 <sect2 id="deriving-typeable">
1846 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
1847
1848 <para>
1849 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
1850 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
1851 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
1852 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
1853 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
1854 </para>
1855 <para>
1856 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
1857 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
1858 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
1859 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
1860 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
1861 </para>
1862 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
1863 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
1864 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
1865 described in
1866 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
1867 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
1868 </ulink>.
1869 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
1870 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
1871 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
1872 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
1873 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
1874 then writing the data type instance by hand.
1875 </para>
1876 </sect2>
1877
1878 <sect2 id="newtype-deriving">
1879 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
1880
1881 <para>
1882 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
1883 the new type to inherit some instances from its representation. In
1884 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
1885 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
1886 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
1887 example, if you define
1888
1889 <programlisting> 
1890   newtype Dollars = Dollars Int 
1891 </programlisting> 
1892
1893 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
1894 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
1895
1896 <programlisting> 
1897   instance Num Dollars where
1898     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
1899     ...
1900 </programlisting>
1901 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
1902 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
1903 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
1904 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
1905 dictionary, only slower!
1906 </para>
1907
1908
1909 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
1910 <para>
1911 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
1912 <programlisting> 
1913   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
1914 </programlisting> 
1915
1916 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
1917 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
1918 derives an instance declaration of the form
1919
1920 <programlisting> 
1921   instance Num Int => Num Dollars
1922 </programlisting> 
1923
1924 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
1925 </para>
1926 <para>
1927
1928 We can also derive instances of constructor classes in a similar
1929 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
1930 transformers, such that
1931
1932 <programlisting> 
1933   instance Monad m => Monad (State s m) 
1934   instance Monad m => Monad (Failure m)
1935 </programlisting> 
1936 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
1937 <programlisting> 
1938   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
1939 </programlisting> 
1940
1941 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
1942 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
1943 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
1944
1945 <programlisting> 
1946   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
1947                          deriving Monad
1948 </programlisting>
1949 In this case the derived instance declaration is of the form 
1950 <programlisting> 
1951   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
1952 </programlisting> 
1953
1954 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
1955 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
1956 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
1957 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
1958 declaration.
1959 </para>
1960 <para>
1961
1962 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
1963 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
1964 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
1965 clause. For example, given the class
1966
1967 <programlisting> 
1968   class StateMonad s m | m -> s where ... 
1969   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
1970 </programlisting> 
1971 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
1972 <programlisting> 
1973   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
1974                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
1975 </programlisting>
1976
1977 The derived instance is obtained by completing the application of the
1978 class to the new type:
1979
1980 <programlisting> 
1981   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
1982            StateMonad [tok] (Parser tok m)
1983 </programlisting>
1984 </para>
1985 <para>
1986
1987 As a result of this extension, all derived instances in newtype
1988  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
1989 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
1990 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
1991 the newtype and its representation.
1992 </para>
1993 </sect3>
1994
1995 <sect3> <title> A more precise specification </title>
1996 <para>
1997 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
1998 declaration (after expansion of any type synonyms)
1999
2000 <programlisting> 
2001   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
2002 </programlisting> 
2003
2004 where 
2005  <itemizedlist>
2006 <listitem><para>
2007   The <literal>ci</literal> are partial applications of
2008   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
2009   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
2010 </para></listitem>
2011 <listitem><para>
2012   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
2013 </para></listitem>
2014 <listitem><para>
2015   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
2016 </para></listitem>
2017 <listitem><para>
2018   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
2019   nor in the <literal>ci</literal>, and
2020 </para></listitem>
2021 <listitem><para>
2022   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
2023                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
2024                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
2025                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
2026                 via this new mechanism.  
2027 </para></listitem>
2028 </itemizedlist>
2029 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
2030 declaration is:
2031 <programlisting> 
2032   instance ci t => ci (T v1...vk)
2033 </programlisting>
2034 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
2035 <programlisting> 
2036   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
2037 </programlisting> 
2038 Here we cannot derive the instance 
2039 <programlisting> 
2040   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
2041 </programlisting> 
2042
2043 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
2044 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
2045 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
2046 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
2047 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
2048 </para>
2049 <para>
2050
2051 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
2052 important, since we can only derive instances for the last one. If the
2053 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
2054
2055 <programlisting> 
2056   class StateMonad m s | m -> s where ... 
2057 </programlisting>
2058
2059 then we would not have been able to derive an instance for the
2060 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
2061 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
2062 instances is most interesting.
2063 </para>
2064 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
2065 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
2066 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
2067 4.3.3. of the Haskell Report).
2068 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2069 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
2070 the standard method is used or the one described here.)
2071 </para>
2072 </sect3>
2073
2074 </sect2>
2075
2076 <sect2 id="stand-alone-deriving">
2077 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
2078
2079 <para>
2080 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-fglasgow-exts</literal>:
2081 <programlisting>
2082   data Foo a = Bar a | Baz String
2083
2084   derive instance Eq (Foo a)
2085 </programlisting>
2086 The token "<literal>derive</literal>" is a keyword only when followed by "<literal>instance</literal>";
2087 you can use it as a variable name elsewhere.</para>
2088 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
2089 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
2090 For example:
2091 <programlisting>
2092   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
2093
2094   derive instance MonadState Int Foo
2095 </programlisting>
2096 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
2097 (<literal>Foo</literal> in this exmample) as the type whose instance is being derived.
2098 </para>
2099
2100 </sect2>
2101
2102 </sect1>
2103
2104
2105 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
2106 <sect1 id="other-type-extensions">
2107 <title>Other type system extensions</title>
2108
2109 <sect2 id="multi-param-type-classes">
2110 <title>Class declarations</title>
2111
2112 <para>
2113 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
2114 There's lots of background in the paper <ulink
2115 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
2116 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
2117 Jones, Erik Meijer).
2118 </para>
2119 <para>
2120 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
2121 </para>
2122
2123 <sect3>
2124 <title>Multi-parameter type classes</title>
2125 <para>
2126 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
2127
2128
2129 <programlisting>
2130   class Collection c a where
2131     union :: c a -> c a -> c a
2132     ...etc.
2133 </programlisting>
2134
2135 </para>
2136 </sect3>
2137
2138 <sect3>
2139 <title>The superclasses of a class declaration</title>
2140
2141 <para>
2142 There are no restrictions on the context in a class declaration
2143 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
2144 be acyclic.  So these class declarations are OK:
2145
2146
2147 <programlisting>
2148   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
2149     ...
2150
2151   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
2152     lift :: m a -> (t m) a
2153 </programlisting>
2154
2155
2156 </para>
2157 <para>
2158 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
2159 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
2160 this is OK:
2161
2162
2163 <programlisting>
2164   class C a where {
2165     op :: D b => a -> b -> b
2166   }
2167
2168   class C a => D a where { ... }
2169 </programlisting>
2170
2171
2172 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
2173 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
2174 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
2175 </para>
2176 </sect3>
2177
2178
2179
2180
2181 <sect3 id="class-method-types">
2182 <title>Class method types</title>
2183
2184 <para>
2185 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
2186 class type variable, thus:
2187 <programlisting>
2188   class Seq s a where
2189     fromList :: [a] -> s a
2190     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
2191 </programlisting>
2192 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
2193 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
2194 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
2195 GHC lifts this restriction.
2196 </para>
2197
2198
2199 </sect3>
2200 </sect2>
2201
2202 <sect2 id="functional-dependencies">
2203 <title>Functional dependencies
2204 </title>
2205
2206 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
2207 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
2208 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
2209 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
2210 .
2211 </para>
2212 <para>
2213 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
2214 class declaration;  e.g. 
2215 <programlisting>
2216   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
2217
2218   class Foo a b c | a b -> c where ...
2219 </programlisting>
2220 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
2221 </para>
2222
2223 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
2224 <para>
2225 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
2226 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
2227 from the free variables of each method type.
2228 For example:
2229
2230 <programlisting>
2231   class Coll s a where
2232     empty  :: s
2233     insert :: s -> a -> s
2234 </programlisting>
2235
2236 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
2237 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
2238 reachable:
2239 <programlisting>
2240   class Coll s a | s -> a where
2241     empty  :: s
2242     insert :: s -> a -> s
2243 </programlisting>
2244
2245 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
2246
2247 <programlisting>
2248   class Coll s a where
2249     empty  :: s a
2250     insert :: s a -> a -> s a
2251 </programlisting>
2252
2253
2254 which makes the connection between the type of a collection of
2255 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
2256 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
2257 class like this:
2258
2259
2260 <programlisting>
2261   class CollE s where
2262     empty  :: s
2263
2264   class CollE s => Coll s a where
2265     insert :: s -> a -> s
2266 </programlisting>
2267 </para>
2268 </sect3>
2269
2270
2271 <sect3>
2272 <title>Background on functional dependencies</title>
2273
2274 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
2275 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
2276 permission of Mark Jones.
2277 </para>
2278 <para> 
2279 Consider the following class, intended as part of a
2280 library for collection types:
2281 <programlisting>
2282    class Collects e ce where
2283        empty  :: ce
2284        insert :: e -> ce -> ce
2285        member :: e -> ce -> Bool
2286 </programlisting>
2287 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
2288 of the container itself. Within this framework, we might want to define
2289 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
2290 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
2291 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
2292 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
2293 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
2294 <programlisting>
2295    instance Eq e => Collects e [e] where ...
2296    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
2297    instance Collects Char BitSet where ...
2298    instance (Hashable e, Collects a ce)
2299               => Collects e (Array Int ce) where ...
2300 </programlisting>
2301 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
2302 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
2303 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
2304 <programlisting>
2305    empty :: Collects e ce => ce
2306 </programlisting>
2307 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
2308 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
2309 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
2310 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
2311 type.
2312 </para>
2313 <para>
2314 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
2315 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
2316 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
2317 them. For example, consider the following two functions: 
2318 <programlisting>
2319    f x y = insert x . insert y
2320    g     = f True 'a'
2321 </programlisting>
2322 for which GHC infers the following types: 
2323 <programlisting>
2324    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
2325    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
2326 </programlisting>
2327 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
2328 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
2329 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
2330 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
2331 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
2332 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
2333 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
2334 might even be in a different module.
2335 </para>
2336
2337 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
2338
2339 <para>
2340 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
2341 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
2342 <programlisting>
2343    class Collects e c where
2344       empty  :: c e
2345       insert :: e -> c e -> c e
2346       member :: e -> c e -> Bool
2347 </programlisting>
2348 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
2349 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
2350 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
2351 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
2352 e</literal>, which is not ambiguous. 
2353 </para>
2354 <para>
2355 The function f from the previous section has a more accurate type: 
2356 <programlisting>
2357    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
2358 </programlisting>
2359 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
2360 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
2361 different types. 
2362 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
2363 quite well in practice, without ambiguity problems.
2364 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
2365 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
2366 for <literal>Collects</literal>
2367 given above can be used with this version of Collects because only one of
2368 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
2369 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
2370 </para>
2371 </sect4>
2372
2373 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
2374
2375 <para>
2376 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
2377 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
2378 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
2379 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
2380 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
2381 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
2382 later framework for "improvement" of qualified types. The
2383 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
2384 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
2385 general design space for systems of implicit parameterization.).
2386
2387 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
2388 <programlisting>
2389    class C a b where ...
2390 </programlisting>
2391 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
2392 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
2393 included in the definition of classes to add information about dependencies
2394 between parameters, as in the following examples: 
2395 <programlisting>
2396    class D a b | a -> b where ...
2397    class E a b | a -> b, b -> a where ...
2398 </programlisting>
2399 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
2400 symbols --- not to be
2401 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
2402 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
2403 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
2404 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
2405 represents a (partial) one-one mapping between types.
2406 </para>
2407 <para>
2408 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
2409 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
2410 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
2411 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
2412 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
2413 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
2414 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
2415 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
2416 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
2417 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
2418 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
2419 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
2420 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
2421 <literal>a-&gt;b</literal>, 
2422  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
2423 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
2424 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
2425 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
2426 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
2427 unchanged.
2428 </para>
2429 <para>
2430 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
2431 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
2432 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
2433 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
2434 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
2435 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
2436 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
2437 <programlisting>
2438    instance D Bool Int where ...
2439    instance D Bool Char where ...
2440 </programlisting>
2441 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
2442 <programlisting>
2443    instance D [a] b where ...
2444 </programlisting>
2445 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
2446 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
2447 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
2448 in any instance of the form: 
2449 <programlisting>
2450    instance D t s where ...
2451 </programlisting>
2452 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
2453 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
2454 uniquely determined.
2455 </para>
2456 <para>
2457 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
2458 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
2459 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
2460 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
2461 with a simple dependency: 
2462 <programlisting>
2463    class Collects e ce | ce -> e where
2464       empty  :: ce
2465       insert :: e -> ce -> ce
2466       member :: e -> ce -> Bool
2467 </programlisting>
2468 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
2469 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
2470 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
2471 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
2472 together with this new definition.
2473 </para>
2474 <para>
2475 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
2476 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
2477 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
2478 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
2479 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
2480 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
2481 give enough information to determine types for both ce and e, without
2482 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
2483 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
2484 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
2485 </para>
2486 <para>
2487 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
2488 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
2489 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
2490 function f: 
2491 <programlisting>
2492    f x y = insert x y = insert x . insert y
2493 </programlisting>
2494 for which we originally obtained a type: 
2495 <programlisting>
2496    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
2497 </programlisting>
2498 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
2499 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
2500 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
2501 can infer a shorter and more accurate type for f: 
2502 <programlisting>
2503    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
2504 </programlisting>
2505 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
2506 </para>
2507 <para>
2508 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
2509 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
2510 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
2511 sets of instance declarations.
2512 </para>
2513 </sect4>
2514 </sect3>
2515 </sect2>
2516
2517 <sect2 id="instance-decls">
2518 <title>Instance declarations</title>
2519
2520 <sect3 id="instance-rules">
2521 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
2522
2523 <para>An instance declaration has the form
2524 <screen>
2525   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 ...
2526 </screen>
2527 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
2528 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
2529 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
2530 </para>
2531
2532 <para>
2533 In Haskell 98 the head of an instance declaration
2534 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
2535 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
2536 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
2537 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration
2538 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
2539 is a type variable that occurs in the head.
2540 </para>
2541 <para>
2542 The <option>-fglasgow-exts</option> flag loosens these restrictions
2543 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
2544 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
2545 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
2546 following rules:
2547 <orderedlist>
2548 <listitem><para>
2549 For each assertion in the context:
2550 <orderedlist>
2551 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
2552 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
2553       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
2554 </orderedlist>
2555 </para></listitem>
2556
2557 <listitem><para>The coverage condition.  For each functional dependency,
2558 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
2559 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
2560 every type variable in
2561 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
2562 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
2563 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
2564 corresponding type in the instance declaration.
2565 </para></listitem>
2566 </orderedlist>
2567 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
2568 step makes the problem smaller by at least one
2569 constructor.  For example, the following would make the type checker
2570 loop if it wasn't excluded:
2571 <programlisting>
2572   instance C a => C a where ...
2573 </programlisting>
2574 For example, these are OK:
2575 <programlisting>
2576   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
2577   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
2578
2579       -- Repeated type variable in head
2580   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
2581   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
2582
2583       -- Head can consist of type variables only
2584   instance C a
2585   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
2586
2587       -- Non-type variables in context
2588   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
2589   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
2590   instance C2 Int a => C3 [a] b
2591 </programlisting>
2592 But these are not:
2593 <programlisting>
2594       -- Context assertion no smaller than head
2595   instance C a => C a where ...
2596       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
2597   instance C b b => Foo [b] where ...
2598 </programlisting>
2599 </para>
2600
2601 <para>
2602 The same restrictions apply to instances generated by
2603 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
2604 <programlisting>
2605   data MinHeap h a = H a (h a)
2606     deriving (Show)
2607 </programlisting>
2608 because the derived instance
2609 <programlisting>
2610   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
2611 </programlisting>
2612 conforms to the above rules.
2613 </para>
2614
2615 <para>
2616 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
2617 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
2618 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
2619 something more specific does not:
2620 <programlisting>
2621   instance C a where
2622     op = ... -- Default
2623 </programlisting>
2624 </para>
2625 <para>You can find lots of background material about the reason for these
2626 restrictions in the paper <ulink
2627 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
2628 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
2629 </para>
2630 </sect3>
2631
2632 <sect3 id="undecidable-instances">
2633 <title>Undecidable instances</title>
2634
2635 <para>
2636 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
2637 For example, sometimes you might want to use the following to get the
2638 effect of a "class synonym":
2639 <programlisting>
2640   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2641
2642   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2643 </programlisting>
2644 This allows you to write shorter signatures:
2645 <programlisting>
2646   f :: C a => ...
2647 </programlisting>
2648 instead of
2649 <programlisting>
2650   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
2651 </programlisting>
2652 The restrictions on functional dependencies (<xref
2653 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
2654 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
2655 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
2656 <programlisting>
2657   class HasConverter a b | a -> b where
2658      convert :: a -> b
2659    
2660   data Foo a = MkFoo a
2661
2662   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
2663      show (MkFoo value) = show (convert value)
2664 </programlisting>
2665 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
2666 typechecker loop:
2667 <programlisting>
2668   class D a
2669   class F a b | a->b
2670   instance F [a] [[a]]
2671   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
2672 </programlisting>  
2673 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
2674 <programlisting>
2675   class Mul a b c | a b -> c where
2676         (.*.) :: a -> b -> c
2677
2678   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
2679   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
2680   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
2681 </programlisting>
2682 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
2683 and indeed the (somewhat strange) definition:
2684 <programlisting>
2685   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
2686 </programlisting>
2687 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
2688 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
2689 </para>
2690 <para>
2691 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
2692 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
2693 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
2694 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
2695 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
2696 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
2697 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
2698 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
2699 </para>
2700
2701 </sect3>
2702
2703
2704 <sect3 id="instance-overlap">
2705 <title>Overlapping instances</title>
2706 <para>
2707 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
2708 declaration
2709 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
2710 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
2711 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
2712 </primary></indexterm> 
2713 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
2714 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
2715 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
2716 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
2717 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
2718 <para>
2719 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
2720 it tries to match every instance declaration against the
2721 constraint,
2722 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
2723 these declarations:
2724 <programlisting>
2725   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
2726   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
2727   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
2728   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
2729 </programlisting>
2730 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
2731 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
2732 no account of the context of the instance declaration
2733 (<literal>context1</literal> etc).
2734 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
2735 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
2736 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
2737 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
2738 particular constraint matches more than one.
2739 </para>
2740
2741 <para>
2742 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
2743 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
2744 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
2745 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
2746 most-specific match, the program is rejected.
2747 </para>
2748 <para>
2749 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
2750 <programlisting>
2751   f :: [b] -> [b]
2752   f x = ...
2753 </programlisting>
2754 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
2755 <literal>C Int [b]</literal>.  But
2756 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
2757 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
2758 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
2759 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
2760 GHC will instead pick (C), without complaining about 
2761 the problem of subsequent instantiations.
2762 </para>
2763 <para>
2764 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
2765 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
2766 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
2767 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
2768 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
2769 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
2770 <itemizedlist>
2771 <listitem><para>
2772 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
2773 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
2774 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
2775 more-specific instance does not matter.
2776 </para></listitem>
2777 <listitem><para>
2778 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
2779 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
2780 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
2781 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
2782 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
2783 check for that declaration.
2784 </para></listitem>
2785 </itemizedlist>
2786 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
2787 overlapping instances without the library client having to know.  
2788 </para>
2789 <para>
2790 If an instance declaration is compiled without
2791 <option>-fallow-overlapping-instances</option>,
2792 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
2793 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
2794 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
2795 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
2796 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
2797 are compiled, if the <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag is
2798 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
2799 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
2800 </para>
2801 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
2802 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
2803 </para>
2804 </sect3>
2805
2806 <sect3>
2807 <title>Type synonyms in the instance head</title>
2808
2809 <para>
2810 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
2811 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
2812 As always, using a type synonym is just shorthand for
2813 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
2814
2815
2816 <programlisting>
2817   type Point = (Int,Int)
2818   instance C Point   where ...
2819   instance C [Point] where ...
2820 </programlisting>
2821
2822
2823 is legal.  However, if you added
2824
2825
2826 <programlisting>
2827   instance C (Int,Int) where ...
2828 </programlisting>
2829
2830
2831 as well, then the compiler will complain about the overlapping
2832 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
2833 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
2834
2835
2836 <programlisting>
2837   type P a = [[a]]
2838   instance Monad P where ...
2839 </programlisting>
2840
2841
2842 This design decision is independent of all the others, and easily
2843 reversed, but it makes sense to me.
2844
2845 </para>
2846 </sect3>
2847
2848
2849 </sect2>
2850
2851 <sect2 id="type-restrictions">
2852 <title>Type signatures</title>
2853
2854 <sect3><title>The context of a type signature</title>
2855 <para>
2856 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
2857 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
2858 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
2859 these type signatures are perfectly OK
2860 <programlisting>
2861   g :: Eq [a] => ...
2862   g :: Ord (T a ()) => ...
2863 </programlisting>
2864 </para>
2865 <para>
2866 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
2867 Consider the type:
2868
2869 <programlisting>
2870   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
2871 </programlisting>
2872
2873 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
2874 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
2875 explicit source-language type signature are universally quantified,
2876 except for the class type variables in a class declaration.  However,
2877 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
2878 </para>
2879
2880 <para>
2881
2882 <orderedlist>
2883 <listitem>
2884
2885 <para>
2886  <emphasis>Each universally quantified type variable
2887 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
2888
2889 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
2890 in the same constraint as either a type variable free in in
2891 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
2892 A value with a type that does not obey 
2893 this reachability restriction cannot be used without introducing
2894 ambiguity; that is why the type is rejected.
2895 Here, for example, is an illegal type:
2896
2897
2898 <programlisting>
2899   forall a. Eq a => Int
2900 </programlisting>
2901
2902
2903 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
2904 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
2905 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
2906 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
2907 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
2908 get any more information about <literal>tv</literal>.
2909 </para>
2910 <para>
2911 Note
2912 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
2913 functionally dependent on a type variable free in
2914 <literal>type</literal> (see <xref
2915 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
2916 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
2917 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
2918 For example, consider:
2919 <programlisting>
2920   class C a b | a -> b where ...
2921   class C a b => D a b where ...
2922   f :: forall a b. D a b => a -> a
2923 </programlisting>
2924 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2925 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2926 </para>
2927 </listitem>
2928 <listitem>
2929
2930 <para>
2931  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2932 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2933
2934 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2935 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2936
2937
2938 <programlisting>
2939   forall a. C a b => burble
2940 </programlisting>
2941
2942
2943 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2944 mention <literal>a</literal>:
2945
2946
2947 <programlisting>
2948   forall a. Eq b => burble
2949 </programlisting>
2950
2951
2952 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2953 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2954 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2955 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2956 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2957 territory free in case we need it later.
2958
2959 </para>
2960 </listitem>
2961
2962 </orderedlist>
2963
2964 </para>
2965 </sect3>
2966
2967
2968
2969 </sect2>
2970
2971 <sect2 id="implicit-parameters">
2972 <title>Implicit parameters</title>
2973
2974 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2975 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2976 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2977 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2978 Boston, Jan 2000.
2979 </para>
2980
2981 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2982 due to Jeff Lewis.)</para>
2983
2984 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2985 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2986
2987 <para>
2988 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2989 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2990 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2991 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2992 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2993 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2994 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2995 only support static scoping of variables.
2996 </para>
2997 <para>
2998 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2999 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
3000 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
3001 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
3002 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
3003 of type <literal>t'</literal>". For
3004 example, the following expresses the type of a sort function,
3005 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
3006 <programlisting>
3007   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
3008 </programlisting>
3009 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
3010 </para>
3011 <para>
3012 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
3013 where <literal>x</literal> is
3014 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
3015 Use of this construct also introduces a new
3016 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
3017 For example, the following definition
3018 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
3019 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
3020 <programlisting>
3021   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
3022
3023   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
3024   sort    = sortBy ?cmp
3025 </programlisting>
3026 </para>
3027
3028 <sect3>
3029 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
3030 <para>
3031 Dynamic binding constraints behave just like other type class
3032 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
3033 function is used, its implicit parameters are inherited by the
3034 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
3035 to pick out the least value in a list:
3036 <programlisting>
3037   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
3038   least xs = head (sort xs)
3039 </programlisting>
3040 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
3041 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
3042 parameters, the default is that parameters must always be explicit
3043 propagated. With implicit parameters, the default is to always
3044 propagate them.
3045 </para>
3046 <para>
3047 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
3048 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
3049 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
3050 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
3051 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
3052 class constraints.
3053 </para>
3054
3055 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
3056 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
3057 <programlisting>
3058   class (?x::Int) => C a where ...
3059   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
3060 </programlisting>
3061 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
3062 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
3063 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
3064 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
3065 <para>
3066 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
3067 <programlisting>
3068    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
3069    f n = n + length ?x
3070
3071    g :: (Read a, Show a) => String -> String
3072    g s = show (read s)
3073 </programlisting>
3074 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
3075 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
3076 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
3077 </para>
3078 </sect3>
3079
3080 <sect3>
3081 <title>Implicit-parameter bindings</title>
3082
3083 <para>
3084 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
3085 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
3086 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
3087 <literal>cmp</literal>.
3088 <programlisting>
3089   min :: [a] -> a
3090   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
3091 </programlisting>
3092 </para>
3093 <para>
3094 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
3095 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
3096 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
3097 or a <literal>where</literal> clause.
3098 Note the following points:
3099 <itemizedlist>
3100 <listitem><para>
3101 An implicit-parameter binding group must be a
3102 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
3103 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
3104 neither polymorphic or recursive.  
3105 </para></listitem>
3106 <listitem><para>
3107 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
3108 single <literal>let</literal>
3109 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
3110 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
3111 </para></listitem>
3112
3113 <listitem><para>
3114 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
3115 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
3116 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
3117 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
3118 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
3119 the meaning of the program.
3120 For example, consider:
3121 <programlisting>
3122   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
3123 </programlisting>
3124 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
3125 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
3126 <programlisting>
3127   f :: (?x::Int) => Int -> Int
3128 </programlisting>
3129 </para></listitem>
3130 </itemizedlist>
3131 </para>
3132
3133 </sect3>
3134
3135 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
3136
3137 <para>
3138 Consider these two definitions:
3139 <programlisting>
3140   len1 :: [a] -> Int
3141   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
3142
3143   len_acc1 [] = ?acc
3144   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
3145
3146   ------------
3147
3148   len2 :: [a] -> Int
3149   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
3150
3151   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
3152   len_acc2 [] = ?acc
3153   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
3154 </programlisting>
3155 The only difference between the two groups is that in the second group
3156 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
3157 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
3158 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
3159 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
3160 has a type signature, the recursive call is made to the
3161 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
3162 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
3163 <programlisting>
3164   Prog> len1 "hello"
3165   0
3166   Prog> len2 "hello"
3167   5
3168 </programlisting>
3169 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
3170 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
3171 </para>
3172 </sect3>
3173
3174 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
3175
3176 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
3177 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
3178 <programlisting>
3179  f :: Int -> Int
3180   f v = let ?x = 0     in
3181         let y = ?x + v in
3182         let ?x = 5     in
3183         y
3184 </programlisting>
3185 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
3186 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
3187 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
3188 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
3189 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
3190 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
3191 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
3192 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
3193 <literal>14</literal>.
3194 </para>
3195 </sect3>
3196 </sect2>
3197
3198     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
3199
3200     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
3201     them from the 6.6 user manual
3202
3203 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
3204 <title>Linear implicit parameters</title>
3205 <para>
3206 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
3207 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
3208 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
3209 </para>
3210 <itemizedlist>
3211 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
3212 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
3213 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
3214 </itemizedlist>
3215
3216 <para>
3217 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
3218 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
3219 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
3220 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
3221 (The '/' in the '%' suggests the split!)
3222 </para>
3223 <para>
3224 For example:
3225 <programlisting>
3226     import GHC.Exts( Splittable )
3227
3228     data NameSupply = ...
3229     
3230     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
3231     newName :: NameSupply -> Name
3232
3233     instance Splittable NameSupply where
3234         split = splitNS
3235
3236
3237     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
3238     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
3239                     where
3240                       x'   = newName %ns
3241                       env' = extend env x x'
3242     ...more equations for f...
3243 </programlisting>
3244 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
3245 <itemizedlist>
3246 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
3247 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
3248 </itemizedlist>
3249 </para>
3250 <para>
3251 So the translation done by the type checker makes
3252 the parameter explicit:
3253 <programlisting>
3254     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
3255     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
3256                        where
3257                          (ns1,ns2) = splitNS ns
3258                          x' = newName ns2
3259                          env = extend env x x'
3260 </programlisting>
3261 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
3262 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
3263 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
3264 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
3265 <programlisting>
3266         class Splittable a where
3267           split :: a -> (a,a)
3268 </programlisting>
3269 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
3270 split for name supplies.  But we can simply write
3271 <programlisting>
3272         g x = (x, %ns, %ns)
3273 </programlisting>
3274 and GHC will infer
3275 <programlisting>
3276         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
3277 </programlisting>
3278 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
3279 <literal>GHC.Exts</literal>.
3280 </para>
3281 <para>
3282 Other points:
3283 <itemizedlist>
3284 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
3285 are entirely distinct implicit parameters: you 
3286   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
3287 </listitem>
3288
3289 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
3290
3291 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
3292   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
3293 </itemizedlist>
3294 </para>
3295
3296 <sect3><title>Warnings</title>
3297
3298 <para>
3299 The monomorphism restriction is even more important than usual.
3300 Consider the example above:
3301 <programlisting>
3302     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
3303     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
3304                     where
3305                       x'   = newName %ns
3306                       env' = extend env x x'
3307 </programlisting>
3308 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
3309 usually a harmless thing to do, we get:
3310 <programlisting>
3311     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
3312     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
3313                     where
3314                       env' = extend env x (newName %ns)
3315 </programlisting>
3316 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
3317 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
3318 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
3319 the beta rule.
3320 </para>
3321 <para>
3322 Well, this is an experimental change.  With implicit
3323 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
3324 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
3325 Haskell programs without knowing their typing.
3326 </para>
3327
3328 </sect3>
3329
3330 <sect3><title>Recursive functions</title>
3331 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
3332 Consider
3333 <programlisting>
3334         foo :: %x::T => Int -> [Int]
3335         foo 0 = []
3336         foo n = %x : foo (n-1)
3337 </programlisting>
3338 where T is some type in class Splittable.</para>
3339 <para>
3340 Do you get a list of all the same T's or all different T's
3341 (assuming that split gives two distinct T's back)?
3342 </para><para>
3343 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
3344 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
3345 translated term, where the implicit param is made explicit:
3346 <programlisting>
3347         foo x 0 = []
3348         foo x n = let (x1,x2) = split x
3349                   in x1 : foo x2 (n-1)
3350 </programlisting>
3351 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
3352 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
3353 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
3354 work.  So the translation becomes
3355 <programlisting>
3356         foo x = let
3357                   foom 0 = []
3358                   foom n = x : foom (n-1)
3359                 in
3360                 foom
3361 </programlisting>
3362 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
3363 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
3364 Yikes!
3365 </para><para>
3366 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
3367 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
3368 </para>
3369 </sect3>
3370
3371 </sect2>
3372
3373 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
3374
3375 <sect2 id="kinding">
3376 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
3377
3378 <para>
3379 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
3380 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
3381 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
3382 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
3383 John Hughes had to define the data type:
3384 <screen>
3385      data Set cxt a = Set [a]
3386                     | Unused (cxt a -> ())
3387 </screen>
3388 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
3389 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
3390 </para>
3391 <para>
3392 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
3393 a type variable is explicitly bound.  Namely:
3394 <itemizedlist>
3395 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
3396 <screen>
3397   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
3398 </screen></para></listitem>
3399 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
3400 <screen>
3401   type T (f :: * -> *) = f Int
3402 </screen></para></listitem>
3403 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
3404 <screen>
3405   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
3406 </screen></para></listitem>
3407 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
3408 <screen>
3409   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
3410 </screen></para></listitem>
3411 </itemizedlist>
3412 </para>
3413
3414 <para>
3415 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
3416 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
3417 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
3418 single lexeme in Haskell.
3419 </para>
3420
3421 <para>
3422 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
3423 as well.  Thus:
3424 <screen>
3425    f :: (Int :: *) -> Int
3426    g :: forall a. a -> (a :: *)
3427 </screen>
3428 The syntax is
3429 <screen>
3430    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
3431 </screen>
3432 The parentheses are required.
3433 </para>
3434 </sect2>
3435
3436
3437 <sect2 id="universal-quantification">
3438 <title>Arbitrary-rank polymorphism
3439 </title>
3440
3441 <para>
3442 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
3443 allows us to say exactly what this means.  For example:
3444 </para>
3445 <para>
3446 <programlisting>
3447         g :: b -> b
3448 </programlisting>
3449 means this:
3450 <programlisting>
3451         g :: forall b. (b -> b)
3452 </programlisting>
3453 The two are treated identically.
3454 </para>
3455
3456 <para>
3457 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
3458 explicit universal quantification in
3459 types. 
3460 For example, all the following types are legal:
3461 <programlisting>
3462     f1 :: forall a b. a -> b -> a
3463     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
3464
3465     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
3466     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
3467
3468     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
3469
3470     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
3471 </programlisting>
3472 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
3473 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
3474 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
3475 is implicitly added by Haskell.
3476 </para>
3477 <para>
3478 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
3479 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
3480 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
3481 </para>
3482 <para>
3483 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
3484 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
3485 </para>
3486 <para>
3487 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
3488 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
3489 that restriction has now been lifted.)
3490 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
3491 including an operational type class context, is legal:
3492 <itemizedlist>
3493 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
3494 of a function arrow </para> </listitem>
3495 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
3496 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
3497 field type signatures.</para> </listitem>
3498 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
3499 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
3500 </itemizedlist>
3501 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
3502 a type variable any more!
3503 </para>
3504
3505
3506 <sect3 id="univ">
3507 <title>Examples
3508 </title>
3509
3510 <para>
3511 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
3512 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
3513 </para>
3514
3515 <para>
3516
3517 <programlisting>
3518 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
3519
3520 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
3521                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
3522                         }
3523
3524 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
3525 </programlisting>
3526
3527 </para>
3528
3529 <para>
3530 The constructors have rank-2 types:
3531 </para>
3532
3533 <para>
3534
3535 <programlisting>
3536 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
3537 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
3538                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
3539                   -> MonadT m
3540 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
3541 </programlisting>
3542
3543 </para>
3544
3545 <para>
3546 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
3547 explicit context.  For example in the first argument of the
3548 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
3549 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
3550 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
3551 mentioned in the type quantified over.
3552 </para>
3553
3554 <para>
3555 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
3556 types too.  So if you write this:
3557
3558 <programlisting>
3559   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
3560 </programlisting>
3561
3562 it's just as if you had written this:
3563
3564 <programlisting>
3565   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
3566 </programlisting>
3567
3568 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
3569 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
3570 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
3571 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
3572 </para>
3573
3574 <para>
3575 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
3576 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
3577 </para>
3578
3579 <para>
3580
3581 <programlisting>
3582     a1 :: T Int
3583     a1 = T1 (\xy->x) 3
3584     
3585     a2, a3 :: Swizzle
3586     a2 = MkSwizzle sort
3587     a3 = MkSwizzle reverse
3588     
3589     a4 :: MonadT Maybe
3590     a4 = let r x = Just x
3591              b m k = case m of
3592                        Just y -> k y
3593                        Nothing -> Nothing
3594          in
3595          MkMonad r b
3596
3597     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
3598     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
3599 </programlisting>
3600
3601 </para>
3602
3603 <para>
3604 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
3605 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
3606 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
3607 </para>
3608
3609 <para>
3610 When you use pattern matching, the bound variables may now have
3611 polymorphic types.  For example:
3612 </para>
3613
3614 <para>
3615
3616 <programlisting>
3617     f :: T a -> a -> (a, Char)
3618     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3619
3620     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
3621     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
3622
3623     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
3624     h m [] = return m []
3625     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
3626                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
3627                  return m (y:ys)
3628 </programlisting>
3629
3630 </para>
3631
3632 <para>
3633 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
3634 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
3635 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
3636 matching.
3637 </para>
3638 </sect3>
3639
3640 <sect3>
3641 <title>Type inference</title>
3642
3643 <para>
3644 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
3645 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
3646 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
3647 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
3648 </para>
3649 <para>
3650 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
3651 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
3652 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
3653 </para>
3654 <para>
3655 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
3656 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
3657 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
3658 <programlisting>
3659      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
3660 </programlisting>
3661 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
3662 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
3663 <programlisting>
3664      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3665 </programlisting>
3666 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
3667 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
3668 one can give a type signature for the function itself:
3669 <programlisting>
3670      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3671      h f = (f True, f 'c')
3672 </programlisting>
3673 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
3674 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
3675 <programlisting>
3676     f :: T a -> a -> (a, Char)
3677     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3678 </programlisting>
3679 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
3680 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
3681 it needs to know.
3682 </para>
3683
3684 </sect3>
3685
3686
3687 <sect3 id="implicit-quant">
3688 <title>Implicit quantification</title>
3689
3690 <para>
3691 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
3692 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
3693 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
3694 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
3695 equivalent:
3696 <programlisting>
3697   f :: a -> a
3698   f :: forall a. a -> a
3699
3700   g (x::a) = let
3701                 h :: a -> b -> b
3702                 h x y = y
3703              in ...
3704   g (x::a) = let
3705                 h :: forall b. a -> b -> b
3706                 h x y = y
3707              in ...
3708 </programlisting>
3709 </para>
3710 <para>
3711 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
3712 point.  For example:
3713 <programlisting>
3714   f :: (a -> a) -> Int
3715            -- MEANS
3716   f :: forall a. (a -> a) -> Int
3717            -- NOT
3718   f :: (forall a. a -> a) -> Int
3719
3720
3721   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
3722            -- MEANS the illegal type
3723   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
3724            -- NOT
3725   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
3726 </programlisting>
3727 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
3728 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
3729 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
3730 for rank-2 types.
3731 </para>
3732 </sect3>
3733 </sect2>
3734
3735
3736 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
3737 <title>Impredicative polymorphism
3738 </title>
3739 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>.  This means
3740 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
3741 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
3742 <programlisting>
3743   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
3744   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
3745   f Nothing  = Nothing
3746 </programlisting>
3747 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
3748 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
3749 [a])</literal>.
3750 </para>
3751 <para>The technical details of this extension are described in the paper
3752 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy">Boxy types:
3753 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
3754 which appeared at ICFP 2006.  
3755 </para>
3756 </sect2>
3757
3758 <sect2 id="scoped-type-variables">
3759 <title>Lexically scoped type variables
3760 </title>
3761
3762 <para>
3763 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
3764 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
3765 <programlisting>
3766 f :: forall a. [a] -> [a]
3767 f xs = ys ++ ys
3768      where
3769        ys :: [a]
3770        ys = reverse xs
3771 </programlisting>
3772 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
3773 the entire definition of <literal>f</literal>.
3774 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>ys</varname>. 
3775 In Haskell 98 it is not possible to declare
3776 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
3777 it becomes possible to do so.
3778 </para>
3779 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
3780 <option>-fglasgow-exts</option>.
3781 </para>
3782 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
3783 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
3784 carefully!</para>
3785
3786 <sect3>
3787 <title>Overview</title>
3788
3789 <para>The design follows the following principles
3790 <itemizedlist>
3791 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
3792 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
3793 design.)</para></listitem>
3794 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
3795 type variables.  This means that every programmer-written type signature
3796 (includin one that contains free scoped type variables) denotes a
3797 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
3798 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
3799 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
3800 changing the program.</para></listitem>
3801 </itemizedlist>
3802 </para>
3803 <para>
3804 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
3805 <itemizedlist>
3806 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
3807 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
3808 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
3809 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
3810 </itemizedlist>
3811 </para>
3812 <para>
3813 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantifed over
3814 its free type variables (<ulink
3815 url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
3816 4.1.2</ulink> 
3817 of the Haskel Report).
3818 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
3819 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
3820 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
3821 then
3822 <programlisting>
3823   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
3824   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
3825   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
3826 </programlisting>
3827 </para>
3828
3829
3830 </sect3>
3831
3832
3833 <sect3 id="decl-type-sigs">
3834 <title>Declaration type signatures</title>
3835 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3836 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3837 explicitly-quantified
3838 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3839 <programlisting>
3840   f :: forall a. [a] -> [a]
3841   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3842 </programlisting>
3843 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3844 the definition of "<literal>f</literal>".
3845 </para>
3846 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3847 signature is explicit.  For example:
3848 <programlisting>
3849   g :: [a] -> [a]
3850   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3851 </programlisting>
3852 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3853 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3854 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3855 quantification rules.
3856 </para>
3857 </sect3>
3858
3859 <sect3 id="exp-type-sigs">
3860 <title>Expression type signatures</title>
3861
3862 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3863 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3864 explicitly-quantified
3865 type variables, in the annotated expression.  For example:
3866 <programlisting>
3867   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
3868 </programlisting>
3869 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
3870 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
3871 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
3872 </para>
3873
3874 </sect3>
3875
3876 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3877 <title>Pattern type signatures</title>
3878 <para>
3879 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
3880 signature</emphasis>.  
3881 For example:
3882 <programlisting>
3883   -- f and g assume that 'a' is already in scope
3884   f = \(x::Int, y::a) -> x
3885   g (x::a) = x
3886   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
3887 </programlisting>
3888 In the case where all the type variables in the pattern type sigature are
3889 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
3890 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
3891 </para>
3892 <para>
3893 There is only one situation in which you can write a pattern type signature that
3894 mentions a type variable that is not already in scope, namely in pattern match
3895 of an existential data constructor.  For example:
3896 <programlisting>
3897   data T = forall a. MkT [a]
3898
3899   k :: T -> T
3900   k (MkT [t::a]) = MkT t3
3901                  where
3902                    t3::[a] = [t,t,t]
3903 </programlisting>
3904 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
3905 variable that is not already in scope.  Indeed, it cannot already be in scope,
3906 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
3907 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
3908 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
3909 existentially-bound type variable.
3910 </para>
3911 <para>
3912 If this seems a little odd, we think so too.  But we must have
3913 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
3914 could not name existentially-bound type variables in subequent type signatures.
3915 </para>
3916 <para>
3917 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
3918 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
3919 scope.
3920 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
3921 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
3922 </para>
3923
3924
3925 </sect3>
3926
3927 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
3928
3929 <sect3 id="result-type-sigs">
3930 <title>Result type signatures</title>
3931
3932 <para>
3933 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
3934
3935 <programlisting>
3936   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
3937   f x y :: [a] = [x,y,x]
3938
3939   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
3940
3941   h :: forall a. [a] -> a
3942   h xs = case xs of
3943             (y:ys) :: a -> y
3944 </programlisting>
3945 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
3946 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
3947 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
3948 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
3949 </para>
3950 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
3951 <para>
3952 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
3953 examples would parse quite differently with parentheses:
3954 <programlisting>
3955   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
3956   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
3957
3958   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
3959
3960   h :: forall a. [a] -> a
3961   h xs = case xs of
3962             ((y:ys) :: a) -> y
3963 </programlisting>
3964 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
3965 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
3966 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
3967
3968 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3969 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3970 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3971 consider how one would parse this:
3972 <programlisting>
3973   \ x :: a -> b -> x
3974 </programlisting>
3975 </para>
3976 </sect3>
3977
3978  -->
3979
3980 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
3981 <title>Class and instance declarations</title>
3982 <para>
3983
3984 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3985 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3986
3987
3988 <programlisting>
3989   class C a where
3990     op :: [a] -> a
3991
3992     op xs = let ys::[a]
3993                 ys = reverse xs
3994             in
3995             head ys
3996 </programlisting>
3997 </para>
3998 </sect3>
3999
4000 </sect2>
4001
4002
4003 <sect2 id="typing-binds">
4004 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
4005
4006 <para>
4007 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
4008 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
4009 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
4010 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
4011 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
4012 As each group is type-checked, any binders of the group that
4013 have
4014 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
4015 polymorphic type,
4016 and all others are monomorphic until the group is generalised 
4017 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
4018 </para>
4019
4020 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
4021 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
4022 Haskell</ulink>,
4023 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
4024 specified:
4025 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
4026 type signature</emphasis>.
4027 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
4028 typecheck.  For example, consider:
4029 <programlisting>
4030   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
4031   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
4032   
4033   g y = (y &lt;= y) || f True
4034 </programlisting>
4035 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
4036 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
4037 <literal>f</literal>,
4038 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
4039 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
4040 type is generalised, to get
4041 <programlisting>
4042   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
4043 </programlisting>
4044 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
4045 <literal>g</literal> in the type environment.
4046 </para>
4047
4048 <para>
4049 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
4050 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
4051 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
4052 <option>-fglasgow-exts</option>
4053 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
4054 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
4055 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
4056 <programlisting>
4057   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
4058   f x = (x == x) || g True
4059   
4060   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
4061   g y = (y &lt;= y) || f True
4062 </programlisting>
4063 </para>
4064 </sect2>
4065
4066 <sect2 id="overloaded-strings">
4067 <title>Overloaded string literals
4068 </title>
4069
4070 <para>
4071 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
4072 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
4073 literals enabled (with <literal>-foverloaded-strings</literal>)
4074  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
4075 </para>
4076 <para>
4077 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
4078 and other variations of string like types.  String literals behave very much
4079 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
4080 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
4081 way as an integer literal is.
4082 </para>
4083 <para>
4084 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
4085 <programlisting>
4086 class IsString a where
4087     fromString :: String -> a
4088 </programlisting>
4089 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
4090 <programlisting>
4091 instance IsString [Char] where
4092     fromString cs = cs
4093 </programlisting>
4094 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
4095 it explicitly (for exmaple, to give an instance declaration for it), you can import it
4096 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
4097 </para>
4098 <para>
4099 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-foverloaded-strings</option> is specified.
4100 Specifically:
4101 <itemizedlist>
4102 <listitem><para>
4103 Each type in a default declaration must be an 
4104 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
4105 </para></listitem>
4106
4107 <listitem><para>
4108 The standard defaulting rule (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
4109 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
4110 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
4111 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
4112 </para></listitem>
4113 </itemizedlist>
4114 </para>
4115 <para>
4116 A small example:
4117 <programlisting>
4118 module Main where
4119
4120 import GHC.Exts( IsString(..) )
4121
4122 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
4123 instance IsString MyString where
4124     fromString = MyString
4125
4126 greet :: MyString -> MyString
4127 greet "hello" = "world"
4128 greet other = other
4129
4130 main = do
4131     print $ greet "hello"
4132     print $ greet "fool"
4133 </programlisting>
4134 </para>
4135 <para>
4136 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
4137 to work since it gets translated into an equality comparison.
4138 </para>
4139 </sect2>
4140
4141 </sect1>
4142 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
4143   
4144 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
4145
4146 <sect1 id="template-haskell">
4147 <title>Template Haskell</title>
4148
4149 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
4150 Haskell.  
4151 The background to
4152 the main technical innovations is discussed in "<ulink
4153 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
4154 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
4155 </para>
4156 <para>
4157 There is a Wiki page about
4158 Template Haskell at <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
4159 http://www.haskell.org/th/</ulink>, and that is the best place to look for
4160 further details.
4161 You may also 
4162 consult the <ulink
4163 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
4164 Haskell library reference material</ulink> 
4165 (search for the type ExpQ).
4166 [Temporary: many changes to the original design are described in 
4167       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
4168 Not all of these changes are in GHC 6.6.]
4169 </para>
4170
4171 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
4172 </para>
4173
4174 <para>
4175 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
4176 Tim Sheard is going to expand it.)
4177 </para>
4178
4179     <sect2>
4180       <title>Syntax</title>
4181
4182       <para> Template Haskell has the following new syntactic
4183       constructions.  You need to use the flag
4184       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
4185       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
4186       (<option>-fth</option> is no longer implied by
4187       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
4188
4189         <itemizedlist>
4190               <listitem><para>
4191                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
4192                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
4193                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
4194                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
4195                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
4196                   </para>
4197               <para> A splice can occur in place of 
4198                   <itemizedlist>
4199                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
4200                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
4201                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
4202                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
4203                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
4204                     </itemizedlist>
4205            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
4206         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
4207         as in the paper.)
4208                 </para></listitem>
4209
4210
4211               <listitem><para>
4212                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
4213                   <itemizedlist>
4214                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
4215                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
4216                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
4217                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
4218                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
4219                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
4220                   </itemizedlist></para></listitem>
4221
4222               <listitem><para>
4223                   Reification is written thus:
4224                   <itemizedlist>
4225                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
4226                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
4227                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
4228                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
4229                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
4230                     
4231                   </itemizedlist></para>
4232                 </listitem>
4233
4234                   
4235         </itemizedlist>
4236 </sect2>
4237
4238 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
4239 <para>
4240 <itemizedlist>
4241     <listitem><para>
4242     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
4243     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
4244     </para></listitem>
4245
4246     <listitem><para>
4247     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
4248             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
4249             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
4250    </para></listitem>
4251
4252    <listitem><para>
4253    Furthermore, you can only run a function at compile time if it is imported
4254    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
4255    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  For example, when compiling module A,
4256    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
4257    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
4258    </para></listitem>
4259
4260     <listitem><para>
4261             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
4262    </para></listitem>
4263     <listitem><para>
4264             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
4265               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
4266               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
4267               the program it compiles produces results whose representations are identical to
4268               those of the compiler itself.
4269    </para></listitem>
4270 </itemizedlist>
4271 </para>
4272 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
4273         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
4274         has been lifted.
4275 </para>
4276 </sect2>
4277  
4278 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
4279 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
4280   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
4281
4282 <programlisting>
4283
4284 {- Main.hs -}
4285 module Main where
4286
4287 -- Import our template "pr"
4288 import Printf ( pr )
4289
4290 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
4291 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
4292 -- the argument of "putStrLn".
4293 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
4294
4295
4296 {- Printf.hs -}
4297 module Printf where
4298
4299 -- Skeletal printf from the paper.
4300 -- It needs to be in a separate module to the one where
4301 -- you intend to use it.
4302
4303 -- Import some Template Haskell syntax
4304 import Language.Haskell.TH
4305
4306 -- Describe a format string
4307 data Format = D | S | L String
4308
4309 -- Parse a format string.  This is left largely to you
4310 -- as we are here interested in building our first ever
4311 -- Template Haskell program and not in building printf.
4312 parse :: String -> [Format]
4313 parse s   = [ L s ]
4314
4315 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
4316 -- of the format string.  This code will be spliced into
4317 -- the module which calls "pr", at compile time.
4318 gen :: [Format] -> ExpQ
4319 gen [D]   = [| \n -> show n |]
4320 gen [S]   = [| \s -> s |]
4321 gen [L s] = stringE s
4322
4323 -- Here we generate the Haskell code for the splice
4324 -- from an input format string.
4325 pr :: String -> ExpQ
4326 pr s      = gen (parse s)
4327 </programlisting>
4328
4329 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
4330 </para>
4331 <programlisting>
4332 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
4333 </programlisting>
4334
4335 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
4336
4337 <programlisting>
4338 $ ./main
4339 Hello
4340 </programlisting>
4341
4342 </sect2>
4343
4344 <sect2>
4345 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
4346 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
4347  
4348 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
4349 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
4350 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
4351 itself is running; this means that the compiled code referred to by
4352 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
4353 in particular this means that object code that is compiled for
4354 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
4355 expression, because profiled object code is only compatible with the
4356 profiling version of the runtime.</para>
4357
4358 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
4359 containing Template Haskell code and you need to compile it for
4360 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
4361 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
4362 The basic idea is to compile the program twice:</para>
4363
4364 <orderedlist>
4365 <listitem>
4366   <para>Compile the program or library first the normal way, without
4367   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
4368 </listitem>
4369 <listitem>
4370   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
4371   additionally use <option>-osuf
4372   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
4373   to name the object files differentliy (you can choose any suffix
4374   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
4375   load the object files built in the first step when executing splice
4376   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
4377   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
4378   GHC will emit an error message. </para>
4379 </listitem>
4380 </orderedlist>
4381 </sect2>
4382
4383 </sect1>
4384
4385 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
4386
4387 <sect1 id="arrow-notation">
4388 <title>Arrow notation
4389 </title>
4390
4391 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
4392 For more details, see
4393 <itemizedlist>
4394
4395 <listitem>
4396 <para>
4397 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
4398 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
4399 pp67&ndash;111, May 2000.
4400 </para>
4401 </listitem>
4402
4403 <listitem>
4404 <para>
4405 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
4406 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
4407 </para>
4408 </listitem>
4409
4410 <listitem>
4411 <para>
4412 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
4413 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
4414 Palgrave, 2003.
4415 </para>
4416 </listitem>
4417
4418 </itemizedlist>
4419 and the arrows web page at
4420 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
4421 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
4422 notation described in the second of these papers.
4423 What follows is a brief introduction to the notation;
4424 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
4425 This notation is translated to ordinary Haskell,
4426 using combinators from the
4427 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4428 module.
4429 </para>
4430
4431 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
4432 <screen>
4433 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
4434        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4435 </screen>
4436 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
4437 The variables of the pattern are bound in the body of the 
4438 <literal>proc</literal>-expression,
4439 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
4440 The syntax of commands is as follows:
4441 <screen>
4442 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
4443        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4444        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4445 </screen>
4446 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4447 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4448 infix operators as for expressions, and
4449 <screen>
4450 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4451        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4452        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4453        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4454        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4455        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4456
4457 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4458        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4459        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4460
4461 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4462        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4463        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4464        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4465 </screen>
4466 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4467 except that the bodies are commands instead of expressions.
4468 </para>
4469
4470 <para>
4471 Commands produce values, but (like monadic computations)
4472 may yield more than one value,
4473 or none, and may do other things as well.
4474 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4475 using commands.
4476 However the values of expressions, even monadic ones,
4477 are determined by the values of the variables they contain;
4478 this is not necessarily the case for commands.
4479 </para>
4480
4481 <para>
4482 A simple example of the new notation is the expression
4483 <screen>
4484 proc x -> f -&lt; x+1
4485 </screen>
4486 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4487 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4488 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4489 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4490 It refers to the input to the arrow.
4491 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4492 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4493 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4494 (The weird look will make more sense later.)
4495 It may be read as analogue of application for arrows.
4496 The above example is equivalent to the Haskell expression
4497 <screen>
4498 arr (\ x -> x+1) >>> f
4499 </screen>
4500 That would make no sense if the expression to the left of
4501 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4502 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4503 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4504 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4505 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4506 <screen>
4507 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4508 </screen>
4509 which is equivalent to
4510 <screen>
4511 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4512 </screen>
4513 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4514 class.
4515 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4516 you may find a monadic formulation more convenient.
4517 </para>
4518
4519 <sect2>
4520 <title>do-notation for commands</title>
4521
4522 <para>
4523 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4524 For example, you can write
4525 <screen>
4526 proc x -> do
4527         y &lt;- f -&lt; x+1
4528         g -&lt; 2*y
4529         let z = x+y
4530         t &lt;- h -&lt; x*z
4531         returnA -&lt; t+z
4532 </screen>
4533 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4534 but with commands in place of monadic expressions.
4535 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4536 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4537 <literal>y</literal>.
4538 In the next line, the output is discarded.
4539 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4540 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4541 module as <literal>arr id</literal>.
4542 The above example is treated as an abbreviation for
4543 <screen>
4544 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4545         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4546         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4547         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4548         arr snd >>>
4549         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4550         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4551         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4552         returnA
4553 </screen>
4554 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4555 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4556 defined in the
4557 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4558 module, this reduces to
4559 <screen>
4560 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4561         first f >>>
4562         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4563         first g >>>
4564         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4565         first h >>>
4566         arr (\ (t, z) -> t+z)
4567 </screen>
4568 which is what you might have written by hand.
4569 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4570 </para>
4571
4572 <para>
4573 Note that although the above translation suggests that
4574 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4575 monomorphic, the actual translation produces Core,
4576 so polymorphic variables are allowed.
4577 </para>
4578
4579 <para>
4580 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4581 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4582 <programlisting>
4583 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4584 counter = proc reset -> do
4585         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4586                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4587         returnA -&lt; output
4588 </programlisting>
4589 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4590 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4591 </para>
4592
4593 </sect2>
4594
4595 <sect2>
4596 <title>Conditional commands</title>
4597
4598 <para>
4599 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4600 input for an arrow.
4601 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4602 <screen>
4603 proc (x,y) ->
4604         if f x y
4605         then g -&lt; x+1
4606         else h -&lt; y+2
4607 </screen>
4608 which is translated to
4609 <screen>
4610 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4611         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4612 </screen>
4613 Since the translation uses <function>|||</function>,
4614 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4615 </para>
4616
4617 <para>
4618 There are also <literal>case</literal> commands, like
4619 <screen>
4620 case input of
4621     [] -> f -&lt; ()
4622     [x] -> g -&lt; x+1
4623     x1:x2:xs -> do
4624         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4625         ys &lt;- k -&lt; xs
4626         returnA -&lt; y:ys
4627 </screen>
4628 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4629 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4630 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4631 </para>
4632
4633 </sect2>
4634
4635 <sect2>
4636 <title>Defining your own control structures</title>
4637
4638 <para>
4639 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4640 modelled on those for expressions,
4641 for sequencing, value recursion and conditionals.
4642 But suitable combinators,
4643 which you can define in ordinary Haskell,
4644 may also be used to build new commands out of existing ones.
4645 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4646 These environments assign values to the free local variables of the command.
4647 Thus combinators that produce arrows from arrows
4648 may also be used to build commands from commands.
4649 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4650 <programlisting>
4651 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4652 </programlisting>
4653 so we can use it to build commands:
4654 <programlisting>
4655 expr' = proc x -> do
4656                 returnA -&lt; x
4657         &lt;+> do
4658                 symbol Plus -&lt; ()
4659                 y &lt;- term -&lt; ()
4660                 expr' -&lt; x + y
4661         &lt;+> do
4662                 symbol Minus -&lt; ()
4663                 y &lt;- term -&lt; ()
4664                 expr' -&lt; x - y
4665 </programlisting>
4666 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4667 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4668 expression on the previous line.)
4669 This is equivalent to
4670 <programlisting>
4671 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4672         &lt;+> (proc x -> do
4673                 symbol Plus -&lt; ()
4674                 y &lt;- term -&lt; ()
4675                 expr' -&lt; x + y)
4676         &lt;+> (proc x -> do
4677                 symbol Minus -&lt; ()
4678                 y &lt;- term -&lt; ()
4679                 expr' -&lt; x - y)
4680 </programlisting>
4681 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4682 (representing the environment input to the command
4683 and thence to its subcommands)
4684 and satisfy the corresponding naturality property
4685 <screen>
4686 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4687 </screen>
4688 at least for strict <literal>k</literal>.
4689 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4690 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4691 of the whole command,
4692 and also allows the translation to safely trim these environments.
4693 The operator must also not use any variable defined within the current
4694 arrow abstraction.
4695 </para>
4696
4697 <para>
4698 We could define our own operator
4699 <programlisting>
4700 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4701 untilA body cond = proc x ->
4702         if cond x then returnA -&lt; ()
4703         else do
4704                 body -&lt; x
4705                 untilA body cond -&lt; x
4706 </programlisting>
4707 and use it in the same way.
4708 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4709 there is also a more general syntax involving special brackets:
4710 <screen>
4711 proc x -> do
4712         y &lt;- f -&lt; x+1
4713         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4714 </screen>
4715 </para>
4716
4717 </sect2>
4718
4719 <sect2>
4720 <title>Primitive constructs</title>
4721
4722 <para>
4723 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4724 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4725 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4726 exception that occurred to the handler.
4727 Such an operator might have a type
4728 <screen>
4729 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4730 </screen>
4731 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4732 You could then use this with arrow notation by writing a command
4733 <screen>
4734 body `handleA` \ ex -> handler
4735 </screen>
4736 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4737 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4738 and the command <literal>handler</literal>,
4739 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4740 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4741 we are talking about commands, and something different is going on.
4742 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4743 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4744 In all the prior examples, this stack was empty.
4745 In the second argument to <function>handleA</function>,
4746 this stack consists of one value, the value of the exception.
4747 The command form of lambda merely gives this value a name.
4748 </para>
4749
4750 <para>
4751 More concretely,
4752 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4753 So operators like <function>handleA</function> that pass
4754 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4755 by pairing the values with the environment in this way.
4756 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4757 should have the form
4758 <screen>
4759 a (...(e,t1), ... tn) t
4760 </screen>
4761 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4762 (representing the environment)
4763 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4764 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4765 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4766 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4767 <replaceable>t</replaceable>.
4768 However the arrows involved need not be the same.
4769 Here are some more examples of suitable operators:
4770 <screen>
4771 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4772 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4773 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4774 </screen>
4775 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4776 by applying them to ordinary expressions, as in
4777 <screen>
4778 proc x -> do
4779         s &lt;- ...
4780         (|runReader (do { ... })|) s
4781 </screen>
4782 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4783 built using <function>runReader</function>.
4784 </para>
4785
4786 <para>
4787 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4788 the expression versions.
4789 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4790 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4791 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4792 though the results would be somewhat clumsy.
4793 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4794 <programlisting>
4795 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4796 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4797
4798 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4799 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4800 </programlisting>
4801 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4802 <programlisting>
4803 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4804 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4805 </programlisting>
4806 </para>
4807
4808 </sect2>
4809
4810 <sect2>
4811 <title>Differences with the paper</title>
4812
4813 <itemizedlist>
4814
4815 <listitem>
4816 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4817 translations, the implementation provides two forms
4818 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4819 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4820 </para>
4821 </listitem>
4822
4823 <listitem>
4824 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4825 a new <literal>form</literal> keyword.
4826 </para>
4827 </listitem>
4828
4829 </itemizedlist>
4830
4831 </sect2>
4832
4833 <sect2>
4834 <title>Portability</title>
4835
4836 <para>
4837 Although only GHC implements arrow notation directly,
4838 there is also a preprocessor
4839 (available from the 
4840 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4841 that translates arrow notation into Haskell 98
4842 for use with other Haskell systems.
4843 You would still want to check arrow programs with GHC;
4844 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4845 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4846 additional restrictions:
4847 <itemizedlist>
4848
4849 <listitem>
4850 <para>
4851 The module must import
4852 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4853 </para>
4854 </listitem>
4855
4856 <listitem>
4857 <para>
4858 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4859 These would have to go in separate modules.
4860 </para>
4861 </listitem>
4862
4863 <listitem>
4864 <para>
4865 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4866 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4867 </para>
4868 </listitem>
4869
4870 </itemizedlist>
4871 </para>
4872
4873 </sect2>
4874
4875 </sect1>
4876
4877 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
4878
4879 <sect1 id="bang-patterns">
4880 <title>Bang patterns
4881 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
4882 </title>
4883 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
4884 patterns</emphasis>.   Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
4885 The <ulink
4886 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
4887 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
4888 than the material below.
4889 </para>
4890 <para>
4891 Bang patterns are enabled by the flag <option>-fbang-patterns</option>.
4892 </para>
4893
4894 <sect2 id="bang-patterns-informal">
4895 <title>Informal description of bang patterns
4896 </title>
4897 <para>
4898 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
4899 <programlisting>
4900   pat ::= !pat
4901 </programlisting>
4902 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
4903 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
4904 Example:
4905 <programlisting>
4906 f1 !x = True
4907 </programlisting>
4908 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
4909 whereas without the bang it would be lazy.
4910 Bang patterns can be nested of course:
4911 <programlisting>
4912 f2 (!x, y) = [x,y]
4913 </programlisting>
4914 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
4915 <literal>y</literal>.  
4916 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
4917 <programlisting>
4918 f3 !(x,y) = [x,y]
4919 f4 (x,y)  = [x,y]
4920 </programlisting>
4921 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; putting a bang before a pattern that
4922 forces evaluation anyway does nothing.
4923 </para><para>
4924 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
4925 <programlisting>
4926 g5 x = let y = f x in body
4927 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
4928 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
4929 </programlisting>
4930 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
4931 But <literal>g7</literal> evalutes <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
4932 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
4933 </para><para>
4934 Bang patterns work in <literal>let</literal> and <literal>where</literal>
4935 definitions too. For example:
4936 <programlisting>
4937 let ![x,y] = e in b
4938 </programlisting>
4939 is a strict pattern: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
4940 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>
4941 The "<literal>!</literal>" should not be regarded as part of the pattern; after all,
4942 in a function argument <literal>![x,y]</literal> means the 
4943 same as <literal>[x,y]</literal>.  Rather, the "<literal>!</literal>" 
4944 is part of the syntax of <literal>let</literal> bindings.
4945 </para>
4946 </sect2>
4947
4948
4949 <sect2 id="bang-patterns-sem">
4950 <title>Syntax and semantics
4951 </title>
4952 <para>
4953
4954 We add a single new production to the syntax of patterns:
4955 <programlisting>
4956   pat ::= !pat
4957 </programlisting>
4958 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
4959 <programlisting>
4960 f !x = 3
4961 </programlisting>
4962 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
4963 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
4964 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
4965 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
4966 prefix notation:
4967 <programlisting>
4968 (!) f x = 3
4969 </programlisting>
4970 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
4971 url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
4972 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
4973 one extra item 10, saying:
4974 <itemizedlist><listitem><para>Matching
4975 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
4976 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
4977                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
4978                 <literal>v</literal></para></listitem>
4979 </itemizedlist>
4980 </para></listitem></itemizedlist>
4981 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
4982 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
4983 <programlisting>
4984 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
4985    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
4986 </programlisting>
4987 </para><para>
4988 That leaves let expressions, whose translation is given in 
4989 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
4990 3.12</ulink>
4991 of the Haskell Report.
4992 In the translation box, first apply 
4993 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
4994 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
4995 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
4996 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
4997 </para>
4998 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
4999 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
5000 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
5001 thus:
5002 <programlisting>
5003   let !y = f x in b
5004 </programlisting>
5005
5006 </para>
5007 <para>
5008 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
5009 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
5010 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
5011      is equivalent to
5012 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
5013 </para>
5014 <para>
5015 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
5016 a module.
5017 </para>
5018 </sect2>
5019 </sect1>
5020
5021 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
5022
5023 <sect1 id="assertions">
5024 <title>Assertions
5025 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
5026 </title>
5027
5028 <para>
5029 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
5030 could define a function like the following:
5031 </para>
5032
5033 <para>
5034
5035 <programlisting>
5036 assert :: Bool -> a -> a
5037 assert False x = error "assertion failed!"
5038 assert _     x = x
5039 </programlisting>
5040
5041 </para>
5042
5043 <para>
5044 which works, but gives you back a less than useful error message --
5045 an assertion failed, but which and where?
5046 </para>
5047
5048 <para>
5049 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
5050 takes a descriptive string to include in the error message and
5051 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
5052 the source location where <function>assert</function> was used.
5053 </para>
5054
5055 <para>
5056 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
5057 use of <function>assert</function> in the user's source:
5058 </para>
5059
5060 <para>
5061
5062 <programlisting>
5063 kelvinToC :: Double -> Double
5064 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
5065 </programlisting>
5066
5067 </para>
5068
5069 <para>
5070 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
5071 assertion was made,
5072 </para>
5073
5074 <para>
5075
5076 <programlisting>
5077 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
5078 </programlisting>
5079
5080 </para>
5081
5082 <para>
5083 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
5084 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
5085 can still define and use your own versions of
5086 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
5087 <literal>Control.Exception</literal> to make use
5088 <function>assert</function> in your code.
5089 </para>
5090
5091 <para>
5092 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
5093       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
5094 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
5095 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
5096       <option>-fignore-asserts</option>
5097       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
5098       </indexterm>.</para>
5099
5100 <para>
5101 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
5102 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
5103 </para>
5104
5105 </sect1>
5106
5107
5108 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
5109
5110   <sect1 id="pragmas">
5111     <title>Pragmas</title>
5112
5113     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
5114
5115     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
5116     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
5117     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
5118     of the generated code.</para>
5119
5120     <para>Pragmas all take the form
5121
5122 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
5123
5124     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
5125     pragma, and is followed optionally by information specific to that
5126     type of pragma.  Case is ignored in
5127     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
5128     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
5129     in the following sections; any pragma encountered with an
5130     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
5131     ignored.</para>
5132
5133     <sect2 id="deprecated-pragma">
5134       <title>DEPRECATED pragma</title>
5135       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
5136       </indexterm>
5137
5138       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
5139       function, class, or type, is deprecated.  There are two
5140       forms.
5141
5142       <itemizedlist>
5143         <listitem>
5144           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
5145 <programlisting>
5146    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
5147      ...
5148 </programlisting>
5149           <para>When you compile any module that import
5150           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
5151           message.</para>
5152         </listitem>
5153
5154         <listitem>
5155           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
5156           following top-level declaration:</para>
5157 <programlisting>
5158    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
5159 </programlisting>
5160           <para>When you compile any module that imports and uses any
5161           of the specified entities, GHC will print the specified
5162           message.</para>
5163           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
5164           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
5165           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
5166           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
5167           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
5168           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
5169           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
5170         </listitem>
5171       </itemizedlist>
5172       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
5173       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
5174       deprecations are not reported for
5175       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
5176       (b) uses of a deprecated function in an export list.
5177       The latter reduces spurious complaints within a library
5178       in which one module gathers together and re-exports 
5179       the exports of several others.
5180       </para>
5181       <para>You can suppress the warnings with the flag
5182       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
5183     </sect2>
5184
5185     <sect2 id="include-pragma">
5186       <title>INCLUDE pragma</title>
5187
5188       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
5189         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
5190         the C source code generated by the compiler for the current module (if
5191         compiling via C).  For example:</para>
5192
5193 <programlisting>
5194 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
5195 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
5196
5197       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
5198         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
5199         pragma(s).</para>
5200
5201       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
5202         to the <option>-#include</option> option (<xref
5203           linkend="options-C-compiler" />), because the
5204         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
5205         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
5206         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
5207         don't recommend using this approach with GHC.</para>
5208     </sect2>
5209
5210     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
5211       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
5212
5213       <para>These pragmas control the inlining of function
5214       definitions.</para>
5215
5216       <sect3 id="inline-pragma">
5217         <title>INLINE pragma</title>
5218         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
5219
5220         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
5221         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
5222         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
5223         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
5224         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
5225         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
5226         export that unfolding for other modules to use.</para>
5227
5228         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
5229         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
5230         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
5231
5232 <programlisting>
5233 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
5234
5235 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5236 {-# INLINE key_function #-}
5237 #endif
5238 </programlisting>
5239
5240         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
5241         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
5242         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
5243
5244         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
5245         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
5246         The normal unfolding machinery will then be very keen to
5247         inline it.</para>
5248
5249         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
5250         function can be put anywhere its type signature could be
5251         put.</para>
5252
5253         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
5254         good idea for the
5255         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
5256         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
5257         a monad.  For example, in GHC's own
5258         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
5259
5260 <programlisting>
5261 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5262 {-# INLINE thenUs #-}
5263 {-# INLINE returnUs #-}
5264 #endif
5265 </programlisting>
5266
5267         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
5268         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
5269       </sect3>
5270
5271       <sect3 id="noinline-pragma">
5272         <title>NOINLINE pragma</title>
5273         
5274         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
5275         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
5276
5277         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
5278         you'd expect: it stops the named function from being inlined
5279         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
5280         you're very cautious about code size.</para>
5281
5282         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
5283         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
5284         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
5285         inlining, so it should be used if you want your code to be
5286         portable).</para>
5287       </sect3>
5288
5289       <sect3 id="phase-control">
5290         <title>Phase control</title>
5291
5292         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
5293         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
5294         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
5295         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
5296         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
5297         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
5298         sequence of phase numbers for successive runs of the
5299         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
5300         phase number, thus:
5301         <itemizedlist>
5302           <listitem>
5303             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5304             <literal>f</literal>
5305               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5306               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
5307             </para></listitem>
5308           <listitem>
5309             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
5310             <literal>f</literal>
5311               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5312               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5313             </para></listitem>
5314           <listitem>
5315             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5316             <literal>f</literal>
5317               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5318               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
5319               there was no pragma).
5320             </para></listitem>
5321             <listitem>
5322             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
5323             <literal>f</literal>
5324               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5325               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5326             </para></listitem>
5327         </itemizedlist>
5328 The same information is summarised here:
5329 <programlisting>
5330                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
5331   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
5332   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
5333   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
5334   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
5335
5336   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
5337   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
5338 </programlisting>
5339 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
5340 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
5341 Another way to understand the semantics is this:
5342 <itemizedlist>
5343 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
5344 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
5345 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
5346 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
5347 happen.
5348 </para></listitem>
5349 </itemizedlist>
5350 </para>
5351 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
5352         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
5353       </sect3>
5354     </sect2>
5355
5356     <sect2 id="language-pragma">
5357       <title>LANGUAGE pragma</title>
5358
5359       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5360       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
5361
5362       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
5363         It is the intention that all Haskell compilers support the
5364         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
5365         all extensions are supported by all compilers, of
5366         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
5367         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
5368
5369       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
5370
5371 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
5372
5373       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
5374         <ulink
5375           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink> may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
5376     </sect2>
5377
5378
5379     <sect2 id="line-pragma">
5380       <title>LINE pragma</title>
5381
5382       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5383       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
5384       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
5385       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
5386       code.  It lets you specify the line number and filename of the
5387       original code; for example</para>
5388
5389 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
5390
5391       <para>if you'd generated the current file from something called
5392       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
5393       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
5394       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
5395       pragma.</para>
5396     </sect2>
5397
5398     <sect2 id="options-pragma">
5399       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
5400       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
5401       </indexterm>
5402       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
5403       </indexterm>
5404
5405       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
5406       additional options that are given to the compiler when compiling
5407       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
5408       details.</para>
5409
5410       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
5411         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
5412     </sect2>
5413
5414     <sect2 id="rules">
5415       <title>RULES pragma</title>
5416
5417       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
5418       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
5419     </sect2>
5420
5421     <sect2 id="specialize-pragma">
5422       <title>SPECIALIZE pragma</title>
5423
5424       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5425       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
5426       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5427
5428       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
5429       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
5430       specialised to particular types.  Thus, if you have an
5431       overloaded function:</para>
5432
5433 <programlisting>
5434   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
5435 </programlisting>
5436
5437       <para>If it is heavily used on lists with
5438       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
5439       follows:</para>
5440
5441 <programlisting>
5442   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
5443 </programlisting>
5444
5445       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
5446       be put anywhere its type signature could be put.</para>
5447
5448       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
5449       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
5450       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
5451       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
5452
5453       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
5454         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
5455         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
5456 <programlisting>
5457   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
5458 </programlisting>
5459       is valid if and only if the defintion
5460 <programlisting>
5461   f_spec :: &lt;type&gt;
5462   f_spec = f
5463 </programlisting>
5464       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
5465       for the original function, not its code):
5466 <programlisting>
5467   f :: Eq a => a -> b -> b
5468   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
5469
5470   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
5471   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
5472
5473   h :: Eq a => a -> a -> a
5474   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
5475 </programlisting>  
5476 The last of these examples will generate a 
5477 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
5478 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
5479 </para>
5480
5481 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
5482 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
5483 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
5484 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised verison of the
5485 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
5486 example is this:
5487 <programlisting>
5488 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
5489 data Arr e where
5490   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
5491   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
5492
5493 (!:) :: Arr e -> Int -> e
5494 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
5495 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
5496 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
5497 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
5498 </programlisting>
5499 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
5500 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
5501 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
5502 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
5503 <literal>(!:)</literal>,
5504 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
5505 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
5506 unrolling of the indexing function.</para>
5507 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
5508 on an ordinarily-recursive function.</para>
5509
5510       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
5511       specialised function for a given type:
5512
5513 <programlisting>
5514 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
5515 </programlisting>
5516
5517       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
5518       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
5519
5520     </sect2>
5521
5522 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
5523 <title>SPECIALIZE instance pragma
5524 </title>
5525
5526 <para>
5527 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5528 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5529 Same idea, except for instance declarations.  For example:
5530
5531 <programlisting>
5532 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
5533    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
5534    ... usual stuff ...
5535  }
5536 </programlisting>
5537 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
5538 of the instance declaration.
5539 </para>
5540 <para>
5541 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
5542 of the pragma.
5543 </para>
5544
5545 </sect2>
5546
5547     <sect2 id="unpack-pragma">
5548       <title>UNPACK pragma</title>
5549
5550       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
5551       
5552       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
5553       that it should unpack the contents of a constructor field into
5554       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
5555       example:</para>
5556
5557 <programlisting>
5558 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
5559            {-# UNPACK #-} !Float
5560 </programlisting>
5561
5562       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
5563       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
5564       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
5565       floats passed to a non-strict function for example, they will
5566       have to be reboxed (this is done automatically by the
5567       compiler).</para>
5568
5569       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
5570       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
5571       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
5572       often as possible.  For example:</para>
5573
5574 <programlisting>
5575 f :: T -&#62; Float
5576 f (T f1 f2) = f1 + f2
5577 </programlisting>
5578
5579       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
5580       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
5581       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
5582
5583       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
5584       example</para>
5585
5586 <programlisting>
5587 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
5588 </programlisting>
5589
5590       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
5591       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5592       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5593
5594 <programlisting>
5595 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5596 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5597 </programlisting>
5598
5599       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5600       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5601       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5602
5603       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5604       so it might be an idea to check the generated code with
5605       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5606
5607       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5608       which essentially has the effect of adding
5609       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5610       constructor field.</para>
5611     </sect2>
5612
5613 </sect1>
5614
5615 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5616
5617 <sect1 id="rewrite-rules">
5618 <title>Rewrite rules
5619
5620 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5621 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5622 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5623
5624 <para>
5625 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5626 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5627 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5628 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5629 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified, and (c) the
5630 <option>-fglasgow-exts</option> (<xref linkend="options-language"/>)
5631 flag is active.
5632 </para>
5633
5634 <para>
5635 Here is an example:
5636
5637 <programlisting>
5638   {-# RULES
5639         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5640   #-}
5641 </programlisting>
5642
5643 </para>
5644
5645 <sect2>
5646 <title>Syntax</title>
5647
5648 <para>
5649 From a syntactic point of view:
5650
5651 <itemizedlist>
5652 <listitem>
5653
5654 <para>
5655  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5656 </para>
5657 </listitem>
5658
5659 <listitem>
5660
5661 <para>
5662  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5663 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5664 </para>
5665 </listitem>
5666
5667 <listitem>
5668 <para>
5669 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5670 immediately after the name of the rule.  Thus:
5671 <programlisting>
5672   {-# RULES
5673         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5674   #-}
5675 </programlisting>
5676 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5677 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5678 Phase 2.
5679 </para>
5680 </listitem>
5681
5682
5683 <listitem>
5684
5685 <para>
5686  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5687 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5688 enclosing definitions.
5689 </para>
5690 </listitem>
5691
5692 <listitem>
5693
5694 <para>
5695  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5696 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5697 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5698 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5699 </para>
5700 </listitem>
5701 <listitem>
5702
5703 <para>
5704  A pattern variable may optionally have a type signature.
5705 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5706 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5707
5708 <programlisting>
5709 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5710               foldr k z (build g) = g k z
5711 </programlisting>
5712
5713 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5714
5715 </para>
5716 </listitem>
5717 <listitem>
5718
5719 <para>
5720 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5721 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5722
5723 <programlisting>
5724 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5725 "wrong2"   forall f.      f True = True
5726 </programlisting>
5727
5728 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5729 in the head.
5730 </para>
5731 </listitem>
5732 <listitem>
5733
5734 <para>
5735  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5736 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5737 </para>
5738 </listitem>
5739 <listitem>
5740
5741 <para>
5742  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5743 </para>
5744 </listitem>
5745
5746 </itemizedlist>
5747
5748 </para>
5749
5750 </sect2>
5751
5752 <sect2>
5753 <title>Semantics</title>
5754
5755 <para>
5756 From a semantic point of view:
5757
5758 <itemizedlist>
5759 <listitem>
5760
5761 <para>
5762 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5763 </para>
5764 </listitem>
5765
5766 <listitem>
5767 <para>
5768  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5769 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5770 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5771 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5772 expression by substituting for the pattern variables.
5773
5774 </para>
5775 </listitem>
5776 <listitem>
5777
5778 <para>
5779  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5780 same type.
5781
5782 </para>
5783 </listitem>
5784 <listitem>
5785
5786 <para>
5787  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5788 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5789 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5790
5791 </para>
5792 </listitem>
5793 <listitem>
5794
5795 <para>
5796  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5797 terminating.  For example:
5798
5799 <programlisting>
5800   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5801 </programlisting>
5802
5803 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5804
5805 </para>
5806 </listitem>
5807 <listitem>
5808
5809 <para>
5810  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5811
5812 </para>
5813 </listitem>
5814 <listitem>
5815 <para>
5816  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5817 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5818 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5819 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5820 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5821 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5822 </para>
5823
5824 <para>
5825 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5826 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5827 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5828 </para>
5829 </listitem>
5830 <listitem>
5831
5832 <para>
5833  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5834 For example, consider:
5835
5836 <programlisting>
5837   let s = map f
5838       t = map g
5839   in
5840   s (t xs)
5841 </programlisting>
5842
5843 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5844 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5845 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5846 not be substituted, and the rule would not fire.
5847
5848 </para>
5849 </listitem>
5850 <listitem>
5851
5852 <para>
5853  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5854 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5855 for something you can't match against it (given the simple minded
5856 matching).  So if you write the rule
5857
5858 <programlisting>
5859         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5860 </programlisting>
5861
5862 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5863 It will only match something written with explicit use of ".".
5864 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5865
5866 <programlisting>
5867 wibble f g xs
5868 </programlisting>
5869
5870 where <function>wibble</function> is defined:
5871
5872 <programlisting>
5873 wibble f g = map f . map g
5874 </programlisting>
5875
5876 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5877
5878 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5879 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5880 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5881
5882 </para>
5883 </listitem>
5884 <listitem>
5885
5886 <para>
5887  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5888 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5889 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5890 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5891 declarations.
5892 </para>
5893 </listitem>
5894
5895 </itemizedlist>
5896
5897 </para>
5898
5899 </sect2>
5900
5901 <sect2>
5902 <title>List fusion</title>
5903
5904 <para>
5905 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5906 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5907 intermediate list should be eliminated entirely.
5908 </para>
5909
5910 <para>
5911 The following are good producers:
5912
5913 <itemizedlist>
5914 <listitem>
5915
5916 <para>
5917  List comprehensions
5918 </para>
5919 </listitem>
5920 <listitem>
5921
5922 <para>
5923  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5924 </para>
5925 </listitem>
5926 <listitem>
5927
5928 <para>
5929  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5930 </para>
5931 </listitem>
5932 <listitem>
5933
5934 <para>
5935  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5936 </para>
5937 </listitem>
5938 <listitem>
5939
5940 <para>
5941  <function>++</function>
5942 </para>
5943 </listitem>
5944
5945 <listitem>
5946 <para>
5947  <function>map</function>
5948 </para>
5949 </listitem>
5950
5951 <listitem>
5952 <para>
5953 <function>take</function>, <function>filter</function>
5954 </para>
5955 </listitem>
5956 <listitem>
5957
5958 <para>
5959  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5960 </para>
5961 </listitem>
5962 <listitem>
5963
5964 <para>
5965  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5966 </para>
5967 </listitem>
5968
5969 </itemizedlist>
5970
5971 </para>
5972
5973 <para>
5974 The following are good consumers:
5975
5976 <itemizedlist>
5977 <listitem>
5978
5979 <para>
5980  List comprehensions
5981 </para>
5982 </listitem>
5983 <listitem>
5984
5985 <para>
5986  <function>array</function> (on its second argument)
5987 </para>
5988 </listitem>
5989 <listitem>
5990
5991 <para>
5992  <function>++</function> (on its first argument)
5993 </para>
5994 </listitem>
5995
5996 <listitem>
5997 <para>
5998  <function>foldr</function>
5999 </para>
6000 </listitem>
6001
6002 <listitem>
6003 <para>
6004  <function>map</function>
6005 </para>
6006 </listitem>
6007 <listitem>
6008
6009 <para>
6010 <function>take</function>, <function>filter</function>
6011 </para>
6012 </listitem>
6013 <listitem>
6014
6015 <para>
6016  <function>concat</function>
6017 </para>
6018 </listitem>
6019 <listitem>
6020
6021 <para>
6022  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
6023 </para>
6024 </listitem>
6025 <listitem>
6026
6027 <para>
6028  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
6029 will fuse with one but not the other)
6030 </para>
6031 </listitem>
6032 <listitem>
6033
6034 <para>
6035  <function>partition</function>
6036 </para>
6037 </listitem>
6038 <listitem>
6039
6040 <para>
6041  <function>head</function>
6042 </para>
6043 </listitem>
6044 <listitem>
6045
6046 <para>
6047  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
6048 </para>
6049 </listitem>
6050 <listitem>
6051
6052 <para>
6053  <function>sequence&lowbar;</function>
6054 </para>
6055 </listitem>
6056 <listitem>
6057
6058 <para>
6059  <function>msum</function>
6060 </para>
6061 </listitem>
6062 <listitem>
6063
6064 <para>
6065  <function>sortBy</function>
6066 </para>
6067 </listitem>
6068
6069 </itemizedlist>
6070
6071 </para>
6072
6073  <para>
6074 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
6075
6076 <programlisting>
6077 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
6078 </programlisting>
6079
6080 </para>
6081
6082 <para>
6083 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
6084 a lot which are not included, please tell us.
6085 </para>
6086
6087 <para>
6088 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
6089 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
6090 </para>
6091
6092 </sect2>
6093
6094 <sect2 id="rule-spec">
6095 <title>Specialisation
6096 </title>
6097
6098 <para>
6099 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
6100 present in earlier versions of GHC.
6101 For example, suppose that:
6102
6103 <programlisting>
6104 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
6105 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
6106 </programlisting>
6107
6108 where <function>intLookup</function> is an implementation of
6109 <function>genericLookup</function> that works very fast for
6110 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
6111 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
6112 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
6113 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
6114 It used to be possible to write
6115
6116 <programlisting>
6117 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
6118 </programlisting>
6119
6120 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
6121
6122 <programlisting>
6123 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
6124 </programlisting>
6125
6126 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
6127 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
6128 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
6129 What is more, this rule does not need to be in the same
6130 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
6131 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
6132 have an original definition available to specialise).
6133 </para>
6134
6135 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
6136 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
6137 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
6138
6139 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
6140 specialisation will Win Big:
6141
6142 <programlisting>
6143 toDouble :: Real a => a -> Double
6144 toDouble = fromRational . toRational
6145
6146 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
6147 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
6148 </programlisting>
6149
6150 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
6151 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
6152 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
6153 comparison.
6154 </para>
6155
6156 </sect2>
6157
6158 <sect2>
6159 <title>Controlling what's going on</title>
6160
6161 <para>
6162
6163 <itemizedlist>
6164 <listitem>
6165
6166 <para>
6167  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
6168 </para>
6169 </listitem>
6170 <listitem>
6171
6172 <para>
6173  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
6174 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
6175 </para>
6176 </listitem>
6177 <listitem>
6178
6179 <para>
6180  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
6181
6182 <programlisting>
6183         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
6184         {-# INLINE build #-}
6185         build g = g (:) []
6186 </programlisting>
6187
6188 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
6189 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
6190 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
6191 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
6192
6193 </para>
6194 </listitem>
6195 <listitem>
6196
6197 <para>
6198  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
6199 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
6200 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
6201 </para>
6202 </listitem>
6203
6204 </itemizedlist>
6205
6206 </para>
6207
6208 </sect2>
6209
6210 <sect2 id="core-pragma">
6211   <title>CORE pragma</title>
6212
6213   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
6214   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
6215   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
6216
6217 <para>
6218   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
6219   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
6220   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
6221   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
6222   literal as an argument.  The following function definition shows an
6223   example:
6224
6225 <programlisting>
6226 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
6227 </programlisting>
6228
6229   Semantically, this is equivalent to:
6230
6231 <programlisting>
6232 g x = show x
6233 </programlisting>
6234 </para>
6235
6236 <para>
6237   However, when external for is generated (via
6238   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
6239   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
6240   The core function declaration for <function>f</function> is:
6241 </para>
6242
6243 <programlisting>
6244   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
6245                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
6246     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
6247         (%note "foo"
6248          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
6249            {GHCziShow.ZCDShow
6250             (tpl1::GHCziBase.Int ->
6251                    a ->
6252                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6253 r)
6254             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
6255             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
6256                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6257 r) ->
6258               tpl2})
6259         (%note "bar"
6260          eta);
6261 </programlisting>
6262
6263 <para>
6264   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
6265   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
6266   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
6267   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
6268   <varname>x</varname>).
6269 </para>
6270
6271 </sect2>
6272
6273 </sect1>
6274
6275 <sect1 id="special-ids">
6276 <title>Special built-in functions</title>
6277 <para>GHC has a few built-in funcions with special behaviour, 
6278 described in this section.  All are exported by
6279 <literal>GHC.Exts</literal>.</para>
6280
6281 <sect2> <title>The <literal>seq</literal> function </title>
6282 <para>
6283 The function <literal>seq</literal> is as described in the Haskell98 Report.
6284 <programlisting>
6285   seq :: a -> b -> b
6286 </programlisting>
6287 It evaluates its first argument to head normal form, and then returns its
6288 second argument as the result.  The reason that it is documented here is 
6289 that, despite <literal>seq</literal>'s polymorphism, its 
6290 second argument can have an unboxed type, or
6291 can be an unboxed tuple; for example <literal>(seq x 4#)</literal>
6292 or <literal>(seq x (# p,q #))</literal>.  This requires <literal>b</literal>
6293 to be instantiated to an unboxed type, which is not usually allowed.
6294 </para>
6295 </sect2>
6296
6297 <sect2> <title>The <literal>inline</literal> function </title>
6298 <para>
6299 The <literal>inline</literal> function is somewhat experimental.
6300 <programlisting>
6301   inline :: a -> a
6302 </programlisting>
6303 The call <literal>(inline f)</literal> arranges that <literal>f</literal> 
6304 is inlined, regardless of its size.  More precisely, the call
6305 <literal>(inline f)</literal> rewrites to the right-hand side of <literal>f</literal>'s 
6306 definition.  
6307 This allows the programmer to control inlining from 
6308 a particular <emphasis>call site</emphasis>
6309 rather than the <emphasis>definition site</emphasis> of the function 
6310 (c.f. <literal>INLINE</literal> pragmas <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>).
6311 </para>
6312 <para>
6313 This inlining occurs regardless of the argument to the call
6314 or the size of <literal>f</literal>'s definition; it is unconditional.
6315 The main caveat is that <literal>f</literal>'s definition must be
6316 visible to the compiler.  That is, <literal>f</literal> must be
6317 let-bound in the current scope.
6318 If no inlining takes place, the <literal>inline</literal> function
6319 expands to the identity function in Phase zero; so its use imposes
6320 no overhead.</para>
6321
6322 <para> If the function is defined in another
6323 module, GHC only exposes its inlining in the interface file if the
6324 function is sufficiently small that it <emphasis>might</emphasis> be
6325 inlined by the automatic mechanism.  There is currently no way to tell
6326 GHC to expose arbitrarily-large functions in the interface file.  (This
6327 shortcoming is something that could be fixed, with some kind of pragma.)
6328 </para>
6329 </sect2>
6330
6331 <sect2> <title>The <literal>lazy</literal> function </title>
6332 <para>
6333 The <literal>lazy</literal> function restrains strictness analysis a little:
6334 <programlisting>
6335   lazy :: a -> a
6336 </programlisting>
6337 The call <literal>(lazy e)</literal> means the same as <literal>e</literal>, 
6338 but <literal>lazy</literal> has a magical property so far as strictness
6339 analysis is concerned: it is lazy in its first argument,
6340 even though its semantics is strict.  After strictness analysis has run,
6341 calls to <literal>lazy</literal> are inlined to be the identity function.
6342 </para>
6343 <para>
6344 This behaviour is occasionally useful when controlling evaluation order.
6345 Notably, <literal>lazy</literal> is used in the library definition of
6346 <literal>Control.Parallel.par</literal>:
6347 <programlisting>
6348   par :: a -> b -> b
6349   par x y = case (par# x) of { _ -> lazy y }
6350 </programlisting>
6351 If <literal>lazy</literal> were not lazy, <literal>par</literal> would
6352 look strict in <literal>y</literal> which would defeat the whole 
6353 purpose of <literal>par</literal>.
6354 </para>
6355 <para>
6356 Like <literal>seq</literal>, the argument of <literal>lazy</literal> can have
6357 an unboxed type.
6358 </para>
6359
6360 </sect2>
6361
6362 <sect2> <title>The <literal>unsafeCoerce#</literal> function </title>
6363 <para>
6364 The function <literal>unsafeCoerce#</literal> allows you to side-step the
6365 typechecker entirely.  It has type
6366 <programlisting>
6367   unsafeCoerce# :: a -> b
6368 </programlisting>
6369 That is, it allows you to coerce any type into any other type.  If you use this
6370 function, you had better get it right, otherwise segmentation faults await. 
6371 It is generally used when you want to write a program that you know is
6372 well-typed, but where Haskell's type system is not expressive enough to prove
6373 that it is well typed.
6374 </para>
6375 <para>
6376 The argument to <literal>unsafeCoerce#</literal> can have unboxed types,
6377 although extremely bad things will happen if you coerce a boxed type 
6378 to an unboxed type.
6379 </para>
6380
6381 </sect2>
6382
6383 </sect1>
6384
6385
6386 <sect1 id="generic-classes">
6387 <title>Generic classes</title>
6388
6389 <para>
6390 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
6391 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
6392 An example will give the idea:
6393 </para>
6394
6395 <programlisting>
6396   import Generics
6397
6398   class Bin a where
6399     toBin   :: a -> [Int]
6400     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
6401   
6402     toBin {| Unit |}    Unit      = []
6403     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
6404     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
6405     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
6406   
6407     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
6408     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
6409     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
6410     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
6411                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
6412 </programlisting>
6413 <para>
6414 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
6415 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
6416 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
6417 </para>
6418 <programlisting>
6419   data Unit    = Unit
6420   data a :+: b = Inl a | Inr b
6421   data a :*: b = a :*: b
6422 </programlisting>
6423 <para>
6424 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
6425 <programlisting>
6426   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
6427   instance Bin a => Bin [a]
6428 </programlisting>
6429 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
6430 where clause and over-ride whichever methods you please.
6431 </para>
6432
6433     <sect2>
6434       <title> Using generics </title>
6435       <para>To use generics you need to</para>
6436       <itemizedlist>
6437         <listitem>
6438           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
6439                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
6440                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
6441                 available.  </para>
6442         </listitem>
6443         <listitem>
6444           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
6445           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
6446           scope the data types <literal>Unit</literal>,
6447           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
6448           don't need this import if you don't mention these types
6449           explicitly; for example, if you are simply giving instance
6450           declarations.)</para>
6451         </listitem>
6452       </itemizedlist>
6453     </sect2>
6454
6455 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
6456 <para>
6457 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
6458 can be written infix (indeed, you can now use
6459 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
6460 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
6461 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
6462 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
6463 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
6464 anticipate wanting).
6465 </para>
6466 </sect2>
6467
6468 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
6469 <para>
6470 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
6471 is one that is defined using type patterns as above.
6472 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
6473 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
6474 generic default method.
6475 </para>
6476
6477 <para>
6478 Restrictions:
6479 <itemizedlist>
6480 <listitem>
6481 <para>
6482 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
6483 field labels.
6484 </para>
6485 </listitem>
6486
6487 <listitem>
6488 <para>
6489 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
6490 multi-parameter class.
6491 </para>
6492 </listitem>
6493
6494 <listitem>
6495 <para>
6496 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
6497 without.  So this is illegal:
6498 <programlisting>
6499   class Foo a where
6500     op :: a -> (a, Bool)
6501     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
6502     op x               = (x,    False)
6503 </programlisting>
6504 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
6505 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
6506 </para>
6507 </listitem>
6508
6509 <listitem>
6510 <para>
6511 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
6512 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:
6513 <programlisting>
6514   class Foo a where
6515     op :: a -> Bool
6516     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
6517     ...
6518 </programlisting>
6519 </para>
6520 </listitem>
6521
6522 <listitem>
6523 <para>
6524 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
6525 <programlisting>
6526        a :+: b
6527        a :*: b
6528        Unit
6529 </programlisting>
6530 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
6531 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
6532 must use the same type variables.  So this is illegal:
6533 <programlisting>
6534   class Foo a where
6535     op :: a -> Bool
6536     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
6537     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
6538 </programlisting>
6539 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
6540 So this too is illegal:
6541 <programlisting>
6542   class Foo a where
6543     op1 :: a -> Bool
6544     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
6545
6546     op2 :: a -> Bool
6547     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
6548 </programlisting>
6549 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
6550 into a single generic instance declaration.)
6551 </para>
6552 </listitem>
6553
6554 <listitem>
6555 <para>
6556 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
6557 </para>
6558 </listitem>
6559
6560 <listitem>
6561 <para>
6562 The type for a generic method can be built only from:
6563   <itemizedlist>
6564   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
6565   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
6566   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
6567   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
6568   </itemizedlist>
6569 Here are some example type signatures for generic methods:
6570 <programlisting>
6571     op1 :: a -> Bool
6572     op2 :: Bool -> (a,Bool)
6573     op3 :: [Int] -> a -> a
6574     op4 :: [a] -> Bool
6575 </programlisting>
6576 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
6577 inside a list.  
6578 </para>
6579 <para>
6580 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
6581 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
6582 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
6583 to the ones that are allowed.</para>
6584 </listitem>
6585
6586 <listitem>
6587 <para>
6588 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
6589 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
6590 do so if
6591   <itemizedlist>
6592   <listitem>
6593   <para>
6594   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
6595   </para>
6596   </listitem>
6597   <listitem>
6598   <para>
6599   No constructor of the instance type has unboxed fields.
6600   </para>
6601   </listitem>
6602   </itemizedlist>
6603 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
6604 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
6605 provided you give explicit code to override any generic default methods.
6606 </para>
6607 </listitem>
6608
6609 </itemizedlist>
6610 </para>
6611
6612 <para>
6613 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
6614 what the compiler does with generic declarations.
6615 </para>
6616
6617 </sect2>
6618
6619 <sect2> <title> Another example </title>
6620 <para>
6621 Just to finish with, here's another example I rather like:
6622 <programlisting>
6623   class Tag a where
6624     nCons :: a -> Int
6625     nCons {| Unit |}    _ = 1
6626     nCons {| a :*: b |} _ = 1
6627     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
6628   
6629     tag :: a -> Int
6630     tag {| Unit |}    _       = 1
6631     tag {| a :*: b |} _       = 1   
6632     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
6633     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
6634 </programlisting>
6635 </para>
6636 </sect2>
6637 </sect1>
6638
6639 <sect1 id="monomorphism">
6640 <title>Control over monomorphism</title>
6641
6642 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
6643 carried out at let and where bindings.
6644 </para>
6645
6646 <sect2>
6647 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
6648           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
6649
6650 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
6651 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
6652 4.5.5</ulink>
6653 of the Haskell Report)
6654 can be completely switched off by
6655 <option>-fno-monomorphism-restriction</option>.
6656 </para>
6657 </sect2>
6658
6659 <sect2>
6660 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
6661           <indexterm><primary><option>-fno-mono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6662           <indexterm><primary><option>-fmono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6663
6664           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
6665           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
6666             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
6667             and is not a simple variable.  For example:
6668 <programlisting>
6669   f x = x                    -- Not a pattern binding
6670   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
6671   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
6672
6673   (g,h) = e                  -- A pattern binding
6674   (f) = e                    -- A pattern binding
6675   [x] = e                    -- A pattern binding
6676 </programlisting>
6677 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
6678 default</emphasis>.  Use <option>-fno-mono-pat-binds</option> to recover the
6679 standard behaviour.
6680 </para>
6681 </sect2>
6682 </sect1>
6683
6684
6685
6686 <!-- Emacs stuff:
6687      ;;; Local Variables: ***
6688      ;;; mode: xml ***
6689      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
6690      ;;; End: ***
6691  -->
6692