Documentation for lexically-scoped type variables
[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 plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>,<option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120         </term>
121         <listitem>
122           <para> These two flags control how generalisation is done.
123             See <xref linkend="monomorphism"/>.
124           </para>
125         </listitem>
126       </varlistentry>
127
128       <varlistentry>
129         <term>
130           <option>-fextended-default-rules</option>:
131           <indexterm><primary><option>-fextended-default-rules</option></primary></indexterm>
132         </term>
133         <listitem>
134           <para> Use GHCi's extended default rules in a regular module (<xref linkend="extended-default-rules"/>).
135           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
136           flag. </para>
137         </listitem>
138       </varlistentry>
139
140       <varlistentry>
141         <term>
142           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
143           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
144         </term>
145         <term>
146           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
147           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
148         </term>
149         <term>
150           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
151           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
152         </term>
153         <term>
154           <option>-fcontext-stack=N</option>
155           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
159           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-finline-phase</option>
166           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
170           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171         </listitem>
172       </varlistentry>
173
174       <varlistentry>
175         <term>
176           <option>-farrows</option>
177           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
178         </term>
179         <listitem>
180           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
181           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
182
183           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
184           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
185           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
186           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
187
188           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
189           <literal>|)</literal>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term>
195           <option>-fgenerics</option>
196           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
197         </term>
198         <listitem>
199           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
200           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
201         </listitem>
202       </varlistentry>
203
204       <varlistentry>
205         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
206         <listitem>
207           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
208           option</primary></indexterm> GHC normally imports
209           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
210           rather it didn't, then give it a
211           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
212           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
213           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
214           namespace is flat, and you must not conflict with any
215           Prelude module.)</para>
216
217           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
218           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
219           Prelude types and values, as specified by the Haskell
220           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
221           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
222           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
223           translation for list comprehensions continues to use
224           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
225
226           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
227           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
228           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
229         </listitem>
230       </varlistentry>
231
232       <varlistentry>
233         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
234         <listitem>
235           <para>Enables implicit parameters (see <xref
236           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
237           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
238
239           <para>Syntax stolen:
240           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
241           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
242         </listitem>
243       </varlistentry>
244
245       <varlistentry>
246         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
247         <listitem>
248           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
249           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
250           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
251         </listitem>
252       </varlistentry>
253
254       <varlistentry>
255         <term><option>-fth</option></term>
256         <listitem>
257           <para>Enables Template Haskell (see <xref
258           linkend="template-haskell"/>).  This flag must
259           be given explicitly; it is no longer implied by
260           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
261
262           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
263           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
264           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
265           <literal>$(</literal>,
266           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
267         </listitem>
268       </varlistentry>
269
270     </variablelist>
271   </sect1>
272
273 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
274 <!--    included from primitives.sgml  -->
275 <!-- &primitives; -->
276 <sect1 id="primitives">
277   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
278
279 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
280 While you really can use this stuff to write fast code,
281   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
282   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
283   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
284   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
285   about it.</para>
286
287 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
288 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
289 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
290 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
291
292 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
293 work over those types, is held in the file
294 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
295 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
296 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
297
298 <para> Indeed,
299 the result of such processing is part of the description of the 
300  <ulink
301       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
302          Core language</ulink>.
303 So that document is a good place to look for a type-set version.
304 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
305 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
306 we could include the results here in the User Guide.</para>
307
308 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
309   
310 <sect2 id="glasgow-unboxed">
311 <title>Unboxed types
312 </title>
313
314 <para>
315 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
316 </para>
317
318 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
319 that values of that type are represented by a pointer to a heap
320 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
321 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
322 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
323 allocation are involved.
324 </para>
325
326 <para>
327 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
328 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
329 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
330 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
331 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
332 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
333 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
334 know and love&mdash;usually one instruction.
335 </para>
336
337 <para>
338 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
339 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
340 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
341 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
342 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
343 </para>
344
345 <para>
346 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
347 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
348 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
349 a primitive value might be represented by a pointer to a
350 heap-allocated object.  Examples include
351 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
352 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
353 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
354 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
355 represents a primitive value, then it really does point to that value:
356 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
357 other end of the pointer than the primitive value.
358 A numerically-intensive program using unboxed types can
359 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
360 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
361 </para>
362
363 <para>
364 There are some restrictions on the use of primitive types:
365 <itemizedlist>
366 <listitem><para>The main restriction
367 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
368 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
369 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
370 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
371 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
372 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
373 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
374 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
375 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
376 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
377 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
378 </para>
379 </listitem>
380 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
381 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
382 </para></listitem>
383 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
384 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
385 </para></listitem>
386 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
387 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
388 pattern-match
389 to become strict.  For example:
390 <programlisting>
391   data Foo = Foo Int Int#
392
393   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
394 </programlisting>
395 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
396 match
397 is strict, and the program behaves as if you had written
398 <programlisting>
399   data Foo = Foo Int Int#
400
401   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
402 </programlisting>
403 </para>
404 </listitem>
405 </itemizedlist>
406 </para>
407
408 </sect2>
409
410 <sect2 id="unboxed-tuples">
411 <title>Unboxed Tuples
412 </title>
413
414 <para>
415 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
416 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
417 unboxed tuple looks like this:
418 </para>
419
420 <para>
421
422 <programlisting>
423 (# e_1, ..., e_n #)
424 </programlisting>
425
426 </para>
427
428 <para>
429 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
430 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
431 the same.
432 </para>
433
434 <para>
435 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
436 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
437 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
438 components are put directly into registers or on the stack; the
439 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
440 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
441 tuples.
442 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
443 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
444 </para>
445
446 <para>
447 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
448 <itemizedlist>
449 <listitem>
450
451 <para>
452 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
453 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
454 structures or passed to polymorphic functions.
455
456 </para>
457 </listitem>
458 <listitem>
459
460 <para>
461 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
462 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
463
464
465 <programlisting>
466   data Foo = Foo (# Int, Int #)
467
468   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
469   f x = x
470
471   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
472   g (# a,b #) = a
473
474   h x = let y = (# x,x #) in ...
475 </programlisting>
476 </para>
477 </listitem>
478 </itemizedlist>
479 </para>
480 <para>
481 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
482 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
483 <programlisting>
484   f x y = (# x+1, y-1 #)
485   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
486 </programlisting>
487 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
488 <programlisting>
489   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
490 </programlisting>
491 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
492 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
493 above example desugars like this:
494 <programlisting>
495   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
496             p = fst t
497             q = snd t
498         in ..body..
499 </programlisting>
500 Indeed, the bindings can even be recursive.
501 </para>
502
503 </sect2>
504 </sect1>
505
506
507 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
508
509 <sect1 id="syntax-extns">
510 <title>Syntactic extensions</title>
511  
512     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
513
514     <sect2 id="hierarchical-modules">
515       <title>Hierarchical Modules</title>
516
517       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
518       names: a module name is allowed to contain a dot
519       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
520       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
521       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
522       more flexible hierarchy of modules.</para>
523
524       <para>This extension has very little impact on the language
525       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
526       qualified, so you can just think of the fully qualified module
527       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
528       means that the full module name must be given after the
529       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
530       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
531       begin</para>
532
533 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
534
535
536       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
537       keyword to save some typing when using qualified names with
538       hierarchical modules.  For example:</para>
539
540 <programlisting>
541 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
542 </programlisting>
543
544       <para>For details on how GHC searches for source and interface
545       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
546       linkend="search-path"/>.</para>
547
548       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
549       hierarchically; see the accompanying library documentation.
550       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
551       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
552       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
553       current status of that project.  For more details, see <ulink
554       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
555       Libraries</ulink>.</para>
556
557     </sect2>
558
559     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
560
561 <sect2 id="pattern-guards">
562 <title>Pattern guards</title>
563
564 <para>
565 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
566 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.)
567 </para>
568
569 <para>
570 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
571 lookup operation:
572
573 <programlisting>
574 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
575 </programlisting>
576
577 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
578 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
579 </para>
580
581 <programlisting>
582 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
583 | otherwise  = var1 + var2
584 where
585   m1 = lookup env var1
586   m2 = lookup env var2
587   ok1 = maybeToBool m1
588   ok2 = maybeToBool m2
589   val1 = expectJust m1
590   val2 = expectJust m2
591 </programlisting>
592
593 <para>
594 The auxiliary functions are 
595 </para>
596
597 <programlisting>
598 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
599 maybeToBool (Just x) = True
600 maybeToBool Nothing  = False
601
602 expectJust :: Maybe a -&gt; a
603 expectJust (Just x) = x
604 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
605 </programlisting>
606
607 <para>
608 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
609 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
610 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
611 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
612 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
613 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
614 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
615 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
616 </para>
617
618 <para>
619 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
620 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
621 to write clunky would be to use case expressions:
622 </para>
623
624 <programlisting>
625 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
626   Nothing -&gt; fail
627   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
628     Nothing -&gt; fail
629     Just val2 -&gt; val1 + val2
630 where
631   fail = var1 + var2
632 </programlisting>
633
634 <para>
635 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
636 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
637 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
638 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
639 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
640 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
641 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
642 tends to become more and more indented. 
643 </para>
644
645 <para>
646 Here is how I would write clunky:
647 </para>
648
649 <programlisting>
650 clunky env var1 var1
651   | Just val1 &lt;- lookup env var1
652   , Just val2 &lt;- lookup env var2
653   = val1 + val2
654 ...other equations for clunky...
655 </programlisting>
656
657 <para>
658 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
659 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
660 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
661 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
662 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
663 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
664 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
665 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
666 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
667 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
668 </para>
669
670 <para>
671 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
672 with among the pattern guards.  For example:
673 </para>
674
675 <programlisting>
676 f x | [y] &lt;- x
677     , y > 3
678     , Just z &lt;- h y
679     = ...
680 </programlisting>
681
682 <para>
683 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
684 qualifier list has just one element, a boolean expression.
685 </para>
686 </sect2>
687
688     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
689
690 <sect2 id="mdo-notation">
691 <title>The recursive do-notation
692 </title>
693
694 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
695 "A recursive do for Haskell",
696 Levent Erkok, John Launchbury",
697 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
698 </para>
699 <para>
700 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
701 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
702 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
703 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
704 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
705 </para>
706 <para>
707 Here is a simple (yet contrived) example:
708 </para>
709 <programlisting>
710 import Control.Monad.Fix
711
712 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
713                return xs
714 </programlisting>
715 <para>
716 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
717 </para>
718
719 <para>
720 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
721 </para>
722 <programlisting>
723 class Monad m => MonadFix m where
724    mfix :: (a -> m a) -> m a
725 </programlisting>
726 <para>
727 The function <literal>mfix</literal>
728 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
729 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
730 For details, see the above mentioned reference.
731 </para>
732 <para>
733 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
734 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
735 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
736 </para>
737 <para>
738 There are three important points in using the recursive-do notation:
739 <itemizedlist>
740 <listitem><para>
741 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
742 than <literal>do</literal>).
743 </para></listitem>
744
745 <listitem><para>
746 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
747 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
748 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
749 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
750 </para></listitem>
751
752 <listitem><para>
753 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
754 </para></listitem>
755 </itemizedlist>
756 </para>
757
758 <para>
759 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
760 contains up to date information on recursive monadic bindings.
761 </para>
762
763 <para>
764 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
765 of the existing documents) used the name
766 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
767 This name is not supported by GHC.
768 </para>
769
770 </sect2>
771
772
773    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
774
775   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
776     <title>Parallel List Comprehensions</title>
777     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
778     </indexterm>
779     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
780     </indexterm>
781
782     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
783     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
784     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
785     extend this to include the zipWith family.</para>
786
787     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
788     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
789     example, the following zips together two lists:</para>
790
791 <programlisting>
792    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
793 </programlisting>
794
795     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
796     zip, in that the resulting list will have the same length as the
797     shortest branch.</para>
798
799     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
800     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
801
802     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
803
804 <programlisting>
805    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
806        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
807        ... 
808    ] 
809 </programlisting>
810
811     <para>This will be translated to: </para>
812
813 <programlisting>
814    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
815                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
816                                          ... 
817    ] 
818 </programlisting>
819
820     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
821     branches.</para>
822
823   </sect2>
824
825 <sect2 id="rebindable-syntax">
826 <title>Rebindable syntax</title>
827
828
829       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
830       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
831       with a home-grown version, for example.</para>
832
833             <para>You may want to define your own numeric class
834             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
835             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
836             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
837             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
838             the following pieces of built-in syntax to refer to
839             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
840             versions:
841
842             <itemizedlist>
843               <listitem>
844                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
845                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
846                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
847 </para> </listitem>         
848
849       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
850           except that the translation is 
851               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
852 </para> </listitem>         
853
854           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
855               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
856 </para> </listitem>         
857
858           <listitem><para>The subtraction operation, and the
859           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
860               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
861               </para></listitem>
862
863               <listitem>
864                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
865                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
866                 patterns, and expressions.
867               </para></listitem>
868
869               <listitem>
870           <para>"Do" notation is translated using whatever
871               functions <literal>(>>=)</literal>,
872               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
873               are in scope (not the Prelude
874               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
875               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
876
877               <listitem>
878                 <para>Arrow
879                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
880                 uses whatever <literal>arr</literal>,
881                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
882                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
883                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
884                 other constructs, the types of these functions must match the
885                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
886                 to use this, ask!
887               </para></listitem>
888             </itemizedlist>
889 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
890 even if that is a little unexpected. For emample, the 
891 static semantics of the literal <literal>368</literal>
892 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
893 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
894 <programlisting>
895 fromInteger :: Integer -> Integer
896 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
897 fromInteger :: Num a => a -> Integer
898 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
899 </programlisting>
900 </para>
901                 
902              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
903              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
904              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
905              you should be all right.</para>
906
907 </sect2>
908 </sect1>
909
910
911 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
912 <sect1 id="type-extensions">
913 <title>Type system extensions</title>
914
915
916 <sect2>
917 <title>Data types and type synonyms</title>
918
919 <sect3 id="nullary-types">
920 <title>Data types with no constructors</title>
921
922 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
923 a data type with no constructors.  For example:</para>
924
925 <programlisting>
926   data S      -- S :: *
927   data T a    -- T :: * -> *
928 </programlisting>
929
930 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
931 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
932 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
933 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
934
935 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
936 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
937 </sect3>
938
939 <sect3 id="infix-tycons">
940 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
941
942 <para>
943 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
944 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
945 <itemizedlist>
946 <listitem><para>
947   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
948   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
949   </para></listitem>
950 <listitem><para>
951   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
952   if you want further arguments.  E.g.
953 <screen>
954   data a :*: b = Foo a b
955   type a :+: b = Either a b
956   class a :=: b where ...
957
958   data (a :**: b) x = Baz a b x
959   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
960 </screen>
961   </para></listitem>
962 <listitem><para>
963   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
964   <screen>
965         x :: Int :*: Bool
966         f :: (a :=: b) => a -> b
967   </screen>
968   </para></listitem>
969 <listitem><para>
970   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
971   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
972   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
973   parenthesised.  For example:
974 <programlisting>
975    type T (+) = Int + Int
976    f :: T Either
977    f = Left 3
978  
979    liftA2 :: Arrow (~>)
980           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
981    liftA2 = ...
982 </programlisting>
983   </para></listitem>
984 <listitem><para>
985   Back-quotes work
986   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
987   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
988   </para></listitem>
989 <listitem><para>
990   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
991   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
992   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
993 <screen>
994   infixl 7 T, :*:
995 </screen>
996   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
997   and similarly for <literal>:*:</literal>.
998   <literal>Int `a` Bool</literal>.
999   </para></listitem>
1000 <listitem><para>
1001   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1002   </para></listitem>
1003
1004 </itemizedlist>
1005 </para>
1006 </sect3>
1007
1008 <sect3 id="type-synonyms">
1009 <title>Liberalised type synonyms</title>
1010
1011 <para>
1012 Type synonyms are like macros at the type level, and
1013 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1014 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1015 <itemizedlist>
1016 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1017 in a type synonym, thus:
1018 <programlisting>
1019   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1020
1021   f :: Discard a
1022   f x y = (x, show y)
1023
1024   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1025   g f = f 3 True
1026 </programlisting>
1027 </para>
1028 </listitem>
1029
1030 <listitem><para>
1031 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1032 <programlisting>
1033   type Pr = (# Int, Int #)
1034
1035   h :: Int -> Pr
1036   h x = (# x, x #)
1037 </programlisting>
1038 </para></listitem>
1039
1040 <listitem><para>
1041 You can apply a type synonym to a forall type:
1042 <programlisting>
1043   type Foo a = a -> a -> Bool
1044  
1045   f :: Foo (forall b. b->b)
1046 </programlisting>
1047 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1048 <programlisting>
1049   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1050 </programlisting>
1051 </para></listitem>
1052
1053 <listitem><para>
1054 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1055 <programlisting>
1056   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1057   type Id x = x
1058   
1059   foo :: Generic Id []
1060 </programlisting>
1061 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1062 <programlisting>
1063   foo :: forall x. x -> [x]
1064 </programlisting>
1065 </para></listitem>
1066
1067 </itemizedlist>
1068 </para>
1069
1070 <para>
1071 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1072 could be changed.)
1073 </para>
1074 <para>
1075 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1076 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1077 <itemizedlist>
1078 <listitem><para>
1079 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1080 </para></listitem>
1081 <listitem><para>
1082 Unboxed tuple on left of an arrow.
1083 </para></listitem>
1084 <listitem><para>
1085 Partially-applied type synonym.
1086 </para></listitem>
1087 </itemizedlist>
1088 So, for example,
1089 this will be rejected:
1090 <programlisting>
1091   type Pr = (# Int, Int #)
1092
1093   h :: Pr -> Int
1094   h x = ...
1095 </programlisting>
1096 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1097 </para>
1098 </sect3>
1099
1100
1101 <sect3 id="existential-quantification">
1102 <title>Existentially quantified data constructors
1103 </title>
1104
1105 <para>
1106 The idea of using existential quantification in data type declarations
1107 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1108 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1109 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1110 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1111 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1112 It's been in Lennart
1113 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1114 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1115 </para>
1116
1117 <para>
1118
1119 <programlisting>
1120   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1121            | Nil
1122 </programlisting>
1123
1124 </para>
1125
1126 <para>
1127 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1128 </para>
1129
1130 <para>
1131
1132 <programlisting>
1133   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1134   Nil   :: Foo
1135 </programlisting>
1136
1137 </para>
1138
1139 <para>
1140 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1141 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1142 For example, the following expression is fine:
1143 </para>
1144
1145 <para>
1146
1147 <programlisting>
1148   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1149 </programlisting>
1150
1151 </para>
1152
1153 <para>
1154 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1155 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1156 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1157 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1158 </para>
1159
1160 <para>
1161 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1162 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1163 </para>
1164
1165 <para>
1166
1167 <programlisting>
1168   f (MkFoo val fn) = ???
1169 </programlisting>
1170
1171 </para>
1172
1173 <para>
1174 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1175 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1176 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1177 </para>
1178
1179 <para>
1180
1181 <programlisting>
1182   f :: Foo -> Bool
1183   f (MkFoo val fn) = fn val
1184 </programlisting>
1185
1186 </para>
1187
1188 <para>
1189 What this allows us to do is to package heterogenous values
1190 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1191 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1192 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1193 </para>
1194
1195 <sect4 id="existential">
1196 <title>Why existential?
1197 </title>
1198
1199 <para>
1200 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1201 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1202 </para>
1203
1204 <para>
1205
1206 <programlisting>
1207   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1208 </programlisting>
1209
1210 </para>
1211
1212 <para>
1213 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1214 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1215 adding a new existential quantification construct.
1216 </para>
1217
1218 </sect4>
1219
1220 <sect4>
1221 <title>Type classes</title>
1222
1223 <para>
1224 An easy extension is to allow
1225 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1226 </para>
1227
1228 <para>
1229
1230 <programlisting>
1231 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1232          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1233 </programlisting>
1234
1235 </para>
1236
1237 <para>
1238 The two constructors have the types you'd expect:
1239 </para>
1240
1241 <para>
1242
1243 <programlisting>
1244 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1245 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1246 </programlisting>
1247
1248 </para>
1249
1250 <para>
1251 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1252 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1253 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1254 So this program is legal:
1255 </para>
1256
1257 <para>
1258
1259 <programlisting>
1260   f :: Baz -> String
1261   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1262                | otherwise = "No"
1263   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1264 </programlisting>
1265
1266 </para>
1267
1268 <para>
1269 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1270 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1271 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1272 extract it on pattern matching.
1273 </para>
1274
1275 <para>
1276 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1277 universal quantification earlier.
1278 </para>
1279
1280 </sect4>
1281
1282 <sect4>
1283 <title>Record Constructors</title>
1284
1285 <para>
1286 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1287
1288 <programlisting>
1289 data Counter a = forall self. NewCounter
1290     { _this    :: self
1291     , _inc     :: self -> self
1292     , _display :: self -> IO ()
1293     , tag      :: a
1294     }
1295 </programlisting>
1296 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1297 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1298 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1299 <literal>_inc</literal> or <literal>_output</literal> as functions will raise a
1300 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1301 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1302 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1303 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1304 </para>
1305
1306 <para>
1307 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1308
1309 <programlisting>
1310 inc :: Counter a -> Counter a
1311 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1312     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1313
1314 display :: Counter a -> IO ()
1315 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1316 </programlisting>
1317
1318 Now we can define counters with different underlying implementations:
1319
1320 <programlisting>
1321 counterA :: Counter String 
1322 counterA = NewCounter
1323     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1324
1325 counterB :: Counter String 
1326 counterB = NewCounter
1327     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1328
1329 main = do
1330     display (inc counterA)         -- prints "1"
1331     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1332 </programlisting>
1333
1334 In GADT declarations (see <xref linkend="gadt"/>), the explicit
1335 <literal>forall</literal> may be omitted.  For example, we can express
1336 the same <literal>Counter a</literal> using GADT:
1337
1338 <programlisting>
1339 data Counter a where
1340     NewCounter { _this    :: self
1341                , _inc     :: self -> self
1342                , _display :: self -> IO ()
1343                , tag      :: a
1344                }
1345         :: Counter a
1346 </programlisting>
1347
1348 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1349 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1350
1351 <programlisting>
1352 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1353 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1354 setTag obj t = obj{ tag = t }
1355 </programlisting>
1356
1357 </para>
1358
1359 </sect4>
1360
1361
1362 <sect4>
1363 <title>Restrictions</title>
1364
1365 <para>
1366 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1367 constructors can be use.
1368 </para>
1369
1370 <para>
1371
1372 <itemizedlist>
1373 <listitem>
1374
1375 <para>
1376  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1377 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1378 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1379 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1380
1381
1382 <programlisting>
1383 f1 (MkFoo a f) = a
1384 </programlisting>
1385
1386
1387 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1388 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1389 ask what type <function>f1</function> has:
1390
1391
1392 <programlisting>
1393   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1394 </programlisting>
1395
1396
1397 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1398 this:
1399
1400
1401 <programlisting>
1402   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1403 </programlisting>
1404
1405
1406 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1407
1408
1409 <programlisting>
1410   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1411 </programlisting>
1412
1413
1414 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1415 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1416 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1417
1418
1419 </para>
1420 </listitem>
1421 <listitem>
1422
1423 <para>
1424 You can't pattern-match on an existentially quantified
1425 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1426 bindings. So this is illegal:
1427
1428
1429 <programlisting>
1430   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1431 </programlisting>
1432
1433 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1434
1435 <programlisting>
1436   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1437 </programlisting>
1438
1439 In general, you can only pattern-match
1440 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1441 in the patterns of a function definition.
1442
1443 The reason for this restriction is really an implementation one.
1444 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1445 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1446 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1447 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1448 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1449 annoying it is.
1450
1451 </para>
1452 </listitem>
1453 <listitem>
1454
1455 <para>
1456 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1457 declarations.  So this is illegal:
1458
1459
1460 <programlisting>
1461   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1462 </programlisting>
1463
1464
1465 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1466 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1467 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1468 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1469 You can get just the same efficiency and effect by using
1470 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1471 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1472 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1473 because the <literal>data</literal> version does carry an
1474 implementation cost, but single-field existentially quantified
1475 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1476 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1477 are convincing reasons to change it.
1478
1479
1480 </para>
1481 </listitem>
1482 <listitem>
1483
1484 <para>
1485  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1486 data type with existentially quantified data constructors.
1487
1488 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1489
1490 <programlisting>
1491 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1492 </programlisting>
1493
1494 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1495 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1496
1497 <programlisting>
1498 instance Eq T where
1499   (MkT a) == (MkT b) = ???
1500 </programlisting>
1501
1502 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1503 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1504 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1505 declarations.  Define your own instances!
1506 </para>
1507 </listitem>
1508
1509 </itemizedlist>
1510
1511 </para>
1512
1513 </sect4>
1514 </sect3>
1515
1516 </sect2>
1517
1518
1519
1520 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1521 <title>Class declarations</title>
1522
1523 <para>
1524 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
1525 There's lots of background in the paper <ulink
1526 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1527 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1528 Jones, Erik Meijer).
1529 </para>
1530 <para>
1531 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
1532 </para>
1533
1534 <sect3>
1535 <title>Multi-parameter type classes</title>
1536 <para>
1537 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
1538
1539
1540 <programlisting>
1541   class Collection c a where
1542     union :: c a -> c a -> c a
1543     ...etc.
1544 </programlisting>
1545
1546 </para>
1547 </sect3>
1548
1549 <sect3>
1550 <title>The superclasses of a class declaration</title>
1551
1552 <para>
1553 There are no restrictions on the context in a class declaration
1554 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1555 be acyclic.  So these class declarations are OK:
1556
1557
1558 <programlisting>
1559   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1560     ...
1561
1562   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1563     lift :: m a -> (t m) a
1564 </programlisting>
1565
1566
1567 </para>
1568 <para>
1569 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
1570 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1571 this is OK:
1572
1573
1574 <programlisting>
1575   class C a where {
1576     op :: D b => a -> b -> b
1577   }
1578
1579   class C a => D a where { ... }
1580 </programlisting>
1581
1582
1583 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1584 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1585 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1586 </para>
1587 </sect3>
1588
1589
1590
1591
1592 <sect3 id="class-method-types">
1593 <title>Class method types</title>
1594
1595 <para>
1596 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1597 class type variable, thus:
1598 <programlisting>
1599   class Seq s a where
1600     fromList :: [a] -> s a
1601     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1602 </programlisting>
1603 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1604 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1605 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1606 GHC lifts this restriction.
1607 </para>
1608
1609
1610 </sect3>
1611 </sect2>
1612
1613 <sect2 id="functional-dependencies">
1614 <title>Functional dependencies
1615 </title>
1616
1617 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1618 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1619 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1620 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1621 .
1622 </para>
1623 <para>
1624 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1625 class declaration;  e.g. 
1626 <programlisting>
1627   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1628
1629   class Foo a b c | a b -> c where ...
1630 </programlisting>
1631 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1632 </para>
1633
1634 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
1635 <para>
1636 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
1637 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1638 from the free variables of each method type.
1639 For example:
1640
1641 <programlisting>
1642   class Coll s a where
1643     empty  :: s
1644     insert :: s -> a -> s
1645 </programlisting>
1646
1647 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1648 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
1649 reachable:
1650 <programlisting>
1651   class Coll s a | s -> a where
1652     empty  :: s
1653     insert :: s -> a -> s
1654 </programlisting>
1655
1656 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
1657
1658 <programlisting>
1659   class Coll s a where
1660     empty  :: s a
1661     insert :: s a -> a -> s a
1662 </programlisting>
1663
1664
1665 which makes the connection between the type of a collection of
1666 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1667 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1668 class like this:
1669
1670
1671 <programlisting>
1672   class CollE s where
1673     empty  :: s
1674
1675   class CollE s => Coll s a where
1676     insert :: s -> a -> s
1677 </programlisting>
1678 </para>
1679 </sect3>
1680
1681
1682 <sect3>
1683 <title>Background on functional dependencies</title>
1684
1685 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
1686 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
1687 permission of Mark Jones.
1688 </para>
1689 <para> 
1690 Consider the following class, intended as part of a
1691 library for collection types:
1692 <programlisting>
1693    class Collects e ce where
1694        empty  :: ce
1695        insert :: e -> ce -> ce
1696        member :: e -> ce -> Bool
1697 </programlisting>
1698 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
1699 of the container itself. Within this framework, we might want to define
1700 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
1701 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
1702 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
1703 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
1704 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
1705 <programlisting>
1706    instance Eq e => Collects e [e] where ...
1707    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
1708    instance Collects Char BitSet where ...
1709    instance (Hashable e, Collects a ce)
1710               => Collects e (Array Int ce) where ...
1711 </programlisting>
1712 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
1713 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
1714 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
1715 <programlisting>
1716    empty :: Collects e ce => ce
1717 </programlisting>
1718 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
1719 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
1720 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
1721 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
1722 type.
1723 </para>
1724 <para>
1725 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
1726 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
1727 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
1728 them. For example, consider the following two functions: 
1729 <programlisting>
1730    f x y = insert x . insert y
1731    g     = f True 'a'
1732 </programlisting>
1733 for which GHC infers the following types: 
1734 <programlisting>
1735    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1736    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
1737 </programlisting>
1738 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
1739 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
1740 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
1741 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
1742 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
1743 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
1744 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
1745 might even be in a different module.
1746 </para>
1747
1748 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
1749
1750 <para>
1751 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
1752 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
1753 <programlisting>
1754    class Collects e c where
1755       empty  :: c e
1756       insert :: e -> c e -> c e
1757       member :: e -> c e -> Bool
1758 </programlisting>
1759 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
1760 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
1761 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
1762 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
1763 e</literal>, which is not ambiguous. 
1764 </para>
1765 <para>
1766 The function f from the previous section has a more accurate type: 
1767 <programlisting>
1768    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
1769 </programlisting>
1770 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
1771 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
1772 different types. 
1773 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
1774 quite well in practice, without ambiguity problems.
1775 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
1776 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
1777 for <literal>Collects</literal>
1778 given above can be used with this version of Collects because only one of
1779 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
1780 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
1781 </para>
1782 </sect4>
1783
1784 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
1785
1786 <para>
1787 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
1788 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
1789 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
1790 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
1791 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
1792 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
1793 later framework for "improvement" of qualified types. The
1794 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
1795 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
1796 general design space for systems of implicit parameterization.).
1797
1798 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
1799 <programlisting>
1800    class C a b where ...
1801 </programlisting>
1802 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
1803 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
1804 included in the definition of classes to add information about dependencies
1805 between parameters, as in the following examples: 
1806 <programlisting>
1807    class D a b | a -> b where ...
1808    class E a b | a -> b, b -> a where ...
1809 </programlisting>
1810 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
1811 symbols --- not to be
1812 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
1813 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
1814 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
1815 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
1816 represents a (partial) one-one mapping between types.
1817 </para>
1818 <para>
1819 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
1820 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
1821 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
1822 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
1823 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
1824 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
1825 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
1826 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
1827 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
1828 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
1829 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
1830 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
1831 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
1832 <literal>a-&gt;b</literal>, 
1833  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
1834 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
1835 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
1836 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
1837 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
1838 unchanged.
1839 </para>
1840 <para>
1841 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
1842 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
1843 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
1844 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
1845 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
1846 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
1847 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
1848 <programlisting>
1849    instance D Bool Int where ...
1850    instance D Bool Char where ...
1851 </programlisting>
1852 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
1853 <programlisting>
1854    instance D [a] b where ...
1855 </programlisting>
1856 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
1857 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
1858 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
1859 in any instance of the form: 
1860 <programlisting>
1861    instance D t s where ...
1862 </programlisting>
1863 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
1864 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
1865 uniquely determined.
1866 </para>
1867 <para>
1868 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
1869 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
1870 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
1871 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
1872 with a simple dependency: 
1873 <programlisting>
1874    class Collects e ce | ce -> e where
1875       empty  :: ce
1876       insert :: e -> ce -> ce
1877       member :: e -> ce -> Bool
1878 </programlisting>
1879 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
1880 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
1881 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
1882 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
1883 together with this new definition.
1884 </para>
1885 <para>
1886 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
1887 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
1888 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
1889 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
1890 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
1891 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
1892 give enough information to determine types for both ce and e, without
1893 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
1894 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
1895 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
1896 </para>
1897 <para>
1898 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
1899 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
1900 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
1901 function f: 
1902 <programlisting>
1903    f x y = insert x y = insert x . insert y
1904 </programlisting>
1905 for which we originally obtained a type: 
1906 <programlisting>
1907    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1908 </programlisting>
1909 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
1910 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
1911 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
1912 can infer a shorter and more accurate type for f: 
1913 <programlisting>
1914    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
1915 </programlisting>
1916 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
1917 </para>
1918 <para>
1919 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
1920 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
1921 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
1922 sets of instance declarations.
1923 </para>
1924 </sect4>
1925 </sect3>
1926 </sect2>
1927
1928 <sect2 id="instance-decls">
1929 <title>Instance declarations</title>
1930
1931 <sect3 id="instance-rules">
1932 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
1933
1934 <para>An instance declaration has the form
1935 <screen>
1936   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 ...
1937 </screen>
1938 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
1939 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
1940 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
1941 </para>
1942
1943 <para>
1944 In Haskell 98 the head of an instance declaration
1945 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
1946 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
1947 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
1948 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration
1949 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
1950 is a type variable that occurs in the head.
1951 </para>
1952 <para>
1953 The <option>-fglasgow-exts</option> flag loosens these restrictions
1954 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
1955 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
1956 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
1957 following rules:
1958 <orderedlist>
1959 <listitem><para>
1960 For each assertion in the context:
1961 <orderedlist>
1962 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
1963 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
1964       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
1965 </orderedlist>
1966 </para></listitem>
1967
1968 <listitem><para>The coverage condition.  For each functional dependency,
1969 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
1970 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
1971 every type variable in
1972 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
1973 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
1974 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
1975 corresponding type in the instance declaration.
1976 </para></listitem>
1977 </orderedlist>
1978 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
1979 step makes the problem smaller by at least one
1980 constructor.  For example, the following would make the type checker
1981 loop if it wasn't excluded:
1982 <programlisting>
1983   instance C a => C a where ...
1984 </programlisting>
1985 For example, these are OK:
1986 <programlisting>
1987   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
1988   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
1989
1990       -- Repeated type variable in head
1991   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
1992   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
1993
1994       -- Head can consist of type variables only
1995   instance C a
1996   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
1997
1998       -- Non-type variables in context
1999   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
2000   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
2001   instance C2 Int a => C3 [a] b
2002 </programlisting>
2003 But these are not:
2004 <programlisting>
2005       -- Context assertion no smaller than head
2006   instance C a => C a where ...
2007       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
2008   instance C b b => Foo [b] where ...
2009 </programlisting>
2010 </para>
2011
2012 <para>
2013 The same restrictions apply to instances generated by
2014 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
2015 <programlisting>
2016   data MinHeap h a = H a (h a)
2017     deriving (Show)
2018 </programlisting>
2019 because the derived instance
2020 <programlisting>
2021   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
2022 </programlisting>
2023 conforms to the above rules.
2024 </para>
2025
2026 <para>
2027 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
2028 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
2029 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
2030 something more specific does not:
2031 <programlisting>
2032   instance C a where
2033     op = ... -- Default
2034 </programlisting>
2035 </para>
2036 <para>You can find lots of background material about the reason for these
2037 restrictions in the paper <ulink
2038 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
2039 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
2040 </para>
2041 </sect3>
2042
2043 <sect3 id="undecidable-instances">
2044 <title>Undecidable instances</title>
2045
2046 <para>
2047 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
2048 For example, sometimes you might want to use the following to get the
2049 effect of a "class synonym":
2050 <programlisting>
2051   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2052
2053   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2054 </programlisting>
2055 This allows you to write shorter signatures:
2056 <programlisting>
2057   f :: C a => ...
2058 </programlisting>
2059 instead of
2060 <programlisting>
2061   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
2062 </programlisting>
2063 The restrictions on functional dependencies (<xref
2064 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
2065 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
2066 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
2067 <programlisting>
2068   class HasConverter a b | a -> b where
2069      convert :: a -> b
2070    
2071   data Foo a = MkFoo a
2072
2073   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
2074      show (MkFoo value) = show (convert value)
2075 </programlisting>
2076 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
2077 typechecker loop:
2078 <programlisting>
2079   class D a
2080   class F a b | a->b
2081   instance F [a] [[a]]
2082   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
2083 </programlisting>  
2084 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
2085 <programlisting>
2086   class Mul a b c | a b -> c where
2087         (.*.) :: a -> b -> c
2088
2089   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
2090   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
2091   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
2092 </programlisting>
2093 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
2094 and indeed the (somewhat strange) definition:
2095 <programlisting>
2096   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
2097 </programlisting>
2098 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
2099 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
2100 </para>
2101 <para>
2102 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
2103 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
2104 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
2105 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
2106 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
2107 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
2108 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
2109 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
2110 </para>
2111
2112 </sect3>
2113
2114
2115 <sect3 id="instance-overlap">
2116 <title>Overlapping instances</title>
2117 <para>
2118 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
2119 declaration
2120 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
2121 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
2122 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
2123 </primary></indexterm> 
2124 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
2125 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
2126 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
2127 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
2128 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
2129 <para>
2130 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
2131 it tries to match every instance declaration against the
2132 constraint,
2133 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
2134 these declarations:
2135 <programlisting>
2136   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
2137   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
2138   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
2139   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
2140 </programlisting>
2141 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
2142 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
2143 no account of the context of the instance declaration
2144 (<literal>context1</literal> etc).
2145 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
2146 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
2147 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
2148 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
2149 particular constraint matches more than one.
2150 </para>
2151
2152 <para>
2153 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
2154 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
2155 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
2156 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
2157 most-specific match, the program is rejected.
2158 </para>
2159 <para>
2160 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
2161 <programlisting>
2162   f :: [b] -> [b]
2163   f x = ...
2164 </programlisting>
2165 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
2166 <literal>C Int [b]</literal>.  But
2167 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
2168 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
2169 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
2170 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
2171 GHC will instead pick (C), without complaining about 
2172 the problem of subsequent instantiations.
2173 </para>
2174 <para>
2175 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
2176 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
2177 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
2178 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
2179 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
2180 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
2181 <itemizedlist>
2182 <listitem><para>
2183 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
2184 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
2185 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
2186 more-specific instance does not matter.
2187 </para></listitem>
2188 <listitem><para>
2189 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
2190 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
2191 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
2192 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
2193 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
2194 check for that declaration.
2195 </para></listitem>
2196 </itemizedlist>
2197 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
2198 overlapping instances without the library client having to know.  
2199 </para>
2200 <para>
2201 If an instance declaration is compiled without
2202 <option>-fallow-overlapping-instances</option>,
2203 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
2204 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
2205 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
2206 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
2207 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
2208 are compiled, if the <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag is
2209 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
2210 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
2211 </para>
2212 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
2213 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
2214 </para>
2215 </sect3>
2216
2217 <sect3>
2218 <title>Type synonyms in the instance head</title>
2219
2220 <para>
2221 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
2222 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
2223 As always, using a type synonym is just shorthand for
2224 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
2225
2226
2227 <programlisting>
2228   type Point = (Int,Int)
2229   instance C Point   where ...
2230   instance C [Point] where ...
2231 </programlisting>
2232
2233
2234 is legal.  However, if you added
2235
2236
2237 <programlisting>
2238   instance C (Int,Int) where ...
2239 </programlisting>
2240
2241
2242 as well, then the compiler will complain about the overlapping
2243 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
2244 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
2245
2246
2247 <programlisting>
2248   type P a = [[a]]
2249   instance Monad P where ...
2250 </programlisting>
2251
2252
2253 This design decision is independent of all the others, and easily
2254 reversed, but it makes sense to me.
2255
2256 </para>
2257 </sect3>
2258
2259
2260 </sect2>
2261
2262 <sect2 id="type-restrictions">
2263 <title>Type signatures</title>
2264
2265 <sect3><title>The context of a type signature</title>
2266 <para>
2267 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
2268 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
2269 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
2270 these type signatures are perfectly OK
2271 <programlisting>
2272   g :: Eq [a] => ...
2273   g :: Ord (T a ()) => ...
2274 </programlisting>
2275 </para>
2276 <para>
2277 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
2278 Consider the type:
2279
2280 <programlisting>
2281   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
2282 </programlisting>
2283
2284 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
2285 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
2286 explicit source-language type signature are universally quantified,
2287 except for the class type variables in a class declaration.  However,
2288 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
2289 </para>
2290
2291 <para>
2292
2293 <orderedlist>
2294 <listitem>
2295
2296 <para>
2297  <emphasis>Each universally quantified type variable
2298 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
2299
2300 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
2301 in the same constraint as either a type variable free in in
2302 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
2303 A value with a type that does not obey 
2304 this reachability restriction cannot be used without introducing
2305 ambiguity; that is why the type is rejected.
2306 Here, for example, is an illegal type:
2307
2308
2309 <programlisting>
2310   forall a. Eq a => Int
2311 </programlisting>
2312
2313
2314 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
2315 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
2316 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
2317 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
2318 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
2319 get any more information about <literal>tv</literal>.
2320 </para>
2321 <para>
2322 Note
2323 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
2324 functionally dependent on a type variable free in
2325 <literal>type</literal> (see <xref
2326 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
2327 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
2328 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
2329 For example, consider:
2330 <programlisting>
2331   class C a b | a -> b where ...
2332   class C a b => D a b where ...
2333   f :: forall a b. D a b => a -> a
2334 </programlisting>
2335 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2336 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2337 </para>
2338 </listitem>
2339 <listitem>
2340
2341 <para>
2342  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2343 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2344
2345 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2346 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2347
2348
2349 <programlisting>
2350   forall a. C a b => burble
2351 </programlisting>
2352
2353
2354 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2355 mention <literal>a</literal>:
2356
2357
2358 <programlisting>
2359   forall a. Eq b => burble
2360 </programlisting>
2361
2362
2363 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2364 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2365 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2366 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2367 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2368 territory free in case we need it later.
2369
2370 </para>
2371 </listitem>
2372
2373 </orderedlist>
2374
2375 </para>
2376 </sect3>
2377
2378 <sect3 id="hoist">
2379 <title>For-all hoisting</title>
2380 <para>
2381 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
2382 end of an arrow, thus:
2383 <programlisting>
2384   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2385
2386   g :: Int -> Discard Int
2387   g x y z = x+y
2388 </programlisting>
2389 Simply expanding the type synonym would give
2390 <programlisting>
2391   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2392 </programlisting>
2393 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2394 <programlisting>
2395   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2396 </programlisting>
2397 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2398 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2399 performs the transformation:</emphasis>
2400 <programlisting>
2401   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2402 ==>
2403   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2404 </programlisting>
2405 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2406 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2407 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2408 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2409 <programlisting>
2410   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2411 </programlisting>
2412 </para>
2413 <para>
2414 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2415 example:
2416 <programlisting>
2417   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2418   g :: Foo (Foo Int)
2419 </programlisting>
2420 means
2421 <programlisting>
2422   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2423 </programlisting>
2424 </para>
2425 </sect3>
2426
2427
2428 </sect2>
2429
2430 <sect2 id="implicit-parameters">
2431 <title>Implicit parameters</title>
2432
2433 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2434 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2435 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2436 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2437 Boston, Jan 2000.
2438 </para>
2439
2440 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2441 due to Jeff Lewis.)</para>
2442
2443 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2444 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2445
2446 <para>
2447 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2448 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2449 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2450 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2451 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2452 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2453 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2454 only support static scoping of variables.
2455 </para>
2456 <para>
2457 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2458 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2459 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2460 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2461 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2462 of type <literal>t'</literal>". For
2463 example, the following expresses the type of a sort function,
2464 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2465 <programlisting>
2466   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2467 </programlisting>
2468 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2469 </para>
2470 <para>
2471 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2472 where <literal>x</literal> is
2473 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2474 Use of this construct also introduces a new
2475 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2476 For example, the following definition
2477 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2478 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2479 <programlisting>
2480   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2481
2482   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2483   sort    = sortBy ?cmp
2484 </programlisting>
2485 </para>
2486
2487 <sect3>
2488 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2489 <para>
2490 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2491 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2492 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2493 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2494 to pick out the least value in a list:
2495 <programlisting>
2496   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2497   least xs = head (sort xs)
2498 </programlisting>
2499 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2500 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2501 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2502 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2503 propagate them.
2504 </para>
2505 <para>
2506 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2507 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2508 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2509 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2510 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2511 class constraints.
2512 </para>
2513
2514 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2515 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2516 <programlisting>
2517   class (?x::Int) => C a where ...
2518   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2519 </programlisting>
2520 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2521 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2522 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2523 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2524 <para>
2525 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2526 <programlisting>
2527    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2528    f n = n + length ?x
2529
2530    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2531    g s = show (read s)
2532 </programlisting>
2533 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2534 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2535 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2536 </para>
2537 </sect3>
2538
2539 <sect3>
2540 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2541
2542 <para>
2543 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2544 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2545 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2546 <literal>cmp</literal>.
2547 <programlisting>
2548   min :: [a] -> a
2549   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2550 </programlisting>
2551 </para>
2552 <para>
2553 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2554 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2555 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2556 or a <literal>where</literal> clause.
2557 Note the following points:
2558 <itemizedlist>
2559 <listitem><para>
2560 An implicit-parameter binding group must be a
2561 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2562 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2563 neither polymorphic or recursive.  
2564 </para></listitem>
2565 <listitem><para>
2566 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2567 single <literal>let</literal>
2568 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2569 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2570 </para></listitem>
2571
2572 <listitem><para>
2573 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2574 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2575 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2576 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2577 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2578 the meaning of the program.
2579 For example, consider:
2580 <programlisting>
2581   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2582 </programlisting>
2583 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2584 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2585 <programlisting>
2586   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2587 </programlisting>
2588 </para></listitem>
2589 </itemizedlist>
2590 </para>
2591
2592 </sect3>
2593
2594 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2595
2596 <para>
2597 Consider these two definitions:
2598 <programlisting>
2599   len1 :: [a] -> Int
2600   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2601
2602   len_acc1 [] = ?acc
2603   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2604
2605   ------------
2606
2607   len2 :: [a] -> Int
2608   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2609
2610   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2611   len_acc2 [] = ?acc
2612   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2613 </programlisting>
2614 The only difference between the two groups is that in the second group
2615 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2616 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2617 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2618 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2619 has a type signature, the recursive call is made to the
2620 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2621 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2622 <programlisting>
2623   Prog> len1 "hello"
2624   0
2625   Prog> len2 "hello"
2626   5
2627 </programlisting>
2628 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2629 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2630 </para>
2631 </sect3>
2632
2633 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2634
2635 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2636 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2637 <programlisting>
2638  f :: Int -> Int
2639   f v = let ?x = 0     in
2640         let y = ?x + v in
2641         let ?x = 5     in
2642         y
2643 </programlisting>
2644 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2645 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2646 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2647 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2648 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2649 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2650 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2651 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2652 <literal>14</literal>.
2653 </para>
2654 </sect3>
2655 </sect2>
2656
2657     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
2658
2659     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
2660     them from the 6.6 user manual
2661
2662 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2663 <title>Linear implicit parameters</title>
2664 <para>
2665 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2666 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2667 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2668 </para>
2669 <itemizedlist>
2670 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2671 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2672 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2673 </itemizedlist>
2674
2675 <para>
2676 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2677 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
2678 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2679 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2680 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2681 </para>
2682 <para>
2683 For example:
2684 <programlisting>
2685     import GHC.Exts( Splittable )
2686
2687     data NameSupply = ...
2688     
2689     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2690     newName :: NameSupply -> Name
2691
2692     instance Splittable NameSupply where
2693         split = splitNS
2694
2695
2696     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2697     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2698                     where
2699                       x'   = newName %ns
2700                       env' = extend env x x'
2701     ...more equations for f...
2702 </programlisting>
2703 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2704 <itemizedlist>
2705 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2706 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2707 </itemizedlist>
2708 </para>
2709 <para>
2710 So the translation done by the type checker makes
2711 the parameter explicit:
2712 <programlisting>
2713     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2714     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2715                        where
2716                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2717                          x' = newName ns2
2718                          env = extend env x x'
2719 </programlisting>
2720 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2721 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2722 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2723 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2724 <programlisting>
2725         class Splittable a where
2726           split :: a -> (a,a)
2727 </programlisting>
2728 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2729 split for name supplies.  But we can simply write
2730 <programlisting>
2731         g x = (x, %ns, %ns)
2732 </programlisting>
2733 and GHC will infer
2734 <programlisting>
2735         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2736 </programlisting>
2737 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2738 <literal>GHC.Exts</literal>.
2739 </para>
2740 <para>
2741 Other points:
2742 <itemizedlist>
2743 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2744 are entirely distinct implicit parameters: you 
2745   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2746 </listitem>
2747
2748 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2749
2750 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2751   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2752 </itemizedlist>
2753 </para>
2754
2755 <sect3><title>Warnings</title>
2756
2757 <para>
2758 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2759 Consider the example above:
2760 <programlisting>
2761     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2762     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2763                     where
2764                       x'   = newName %ns
2765                       env' = extend env x x'
2766 </programlisting>
2767 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2768 usually a harmless thing to do, we get:
2769 <programlisting>
2770     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2771     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2772                     where
2773                       env' = extend env x (newName %ns)
2774 </programlisting>
2775 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2776 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2777 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2778 the beta rule.
2779 </para>
2780 <para>
2781 Well, this is an experimental change.  With implicit
2782 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2783 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2784 Haskell programs without knowing their typing.
2785 </para>
2786
2787 </sect3>
2788
2789 <sect3><title>Recursive functions</title>
2790 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2791 Consider
2792 <programlisting>
2793         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2794         foo 0 = []
2795         foo n = %x : foo (n-1)
2796 </programlisting>
2797 where T is some type in class Splittable.</para>
2798 <para>
2799 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2800 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2801 </para><para>
2802 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2803 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2804 translated term, where the implicit param is made explicit:
2805 <programlisting>
2806         foo x 0 = []
2807         foo x n = let (x1,x2) = split x
2808                   in x1 : foo x2 (n-1)
2809 </programlisting>
2810 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2811 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2812 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2813 work.  So the translation becomes
2814 <programlisting>
2815         foo x = let
2816                   foom 0 = []
2817                   foom n = x : foom (n-1)
2818                 in
2819                 foom
2820 </programlisting>
2821 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2822 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2823 Yikes!
2824 </para><para>
2825 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2826 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2827 </para>
2828 </sect3>
2829
2830 </sect2>
2831
2832 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
2833
2834 <sect2 id="sec-kinding">
2835 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2836
2837 <para>
2838 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2839 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2840 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2841 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2842 John Hughes had to define the data type:
2843 <screen>
2844      data Set cxt a = Set [a]
2845                     | Unused (cxt a -> ())
2846 </screen>
2847 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2848 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2849 </para>
2850 <para>
2851 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2852 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2853 <itemizedlist>
2854 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2855 <screen>
2856   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2857 </screen></para></listitem>
2858 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2859 <screen>
2860   type T (f :: * -> *) = f Int
2861 </screen></para></listitem>
2862 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2863 <screen>
2864   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2865 </screen></para></listitem>
2866 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2867 <screen>
2868   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2869 </screen></para></listitem>
2870 </itemizedlist>
2871 </para>
2872
2873 <para>
2874 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2875 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2876 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2877 single lexeme in Haskell.
2878 </para>
2879
2880 <para>
2881 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2882 as well.  Thus:
2883 <screen>
2884    f :: (Int :: *) -> Int
2885    g :: forall a. a -> (a :: *)
2886 </screen>
2887 The syntax is
2888 <screen>
2889    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2890 </screen>
2891 The parentheses are required.
2892 </para>
2893 </sect2>
2894
2895
2896 <sect2 id="universal-quantification">
2897 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2898 </title>
2899
2900 <para>
2901 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2902 allows us to say exactly what this means.  For example:
2903 </para>
2904 <para>
2905 <programlisting>
2906         g :: b -> b
2907 </programlisting>
2908 means this:
2909 <programlisting>
2910         g :: forall b. (b -> b)
2911 </programlisting>
2912 The two are treated identically.
2913 </para>
2914
2915 <para>
2916 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2917 explicit universal quantification in
2918 types. 
2919 For example, all the following types are legal:
2920 <programlisting>
2921     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2922     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2923
2924     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2925     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2926
2927     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2928 </programlisting>
2929 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2930 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2931 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2932 is implicitly added by Haskell.
2933 </para>
2934 <para>
2935 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2936 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2937 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2938 </para>
2939 <para>
2940 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2941 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2942 </para>
2943 <para>
2944 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2945 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2946 that restriction has now been lifted.)
2947 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2948 including an operational type class context, is legal:
2949 <itemizedlist>
2950 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2951 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2952 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2953 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2954 field type signatures.</para> </listitem>
2955 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2956 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2957 </itemizedlist>
2958 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2959 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2960 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2961 <programlisting>
2962     x1 :: [forall a. a->a]
2963     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2964     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2965 </programlisting>
2966 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2967 a type variable any more!
2968 </para>
2969
2970
2971 <sect3 id="univ">
2972 <title>Examples
2973 </title>
2974
2975 <para>
2976 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2977 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2978 </para>
2979
2980 <para>
2981
2982 <programlisting>
2983 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2984
2985 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2986                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2987                         }
2988
2989 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2990 </programlisting>
2991
2992 </para>
2993
2994 <para>
2995 The constructors have rank-2 types:
2996 </para>
2997
2998 <para>
2999
3000 <programlisting>
3001 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
3002 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
3003                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
3004                   -> MonadT m
3005 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
3006 </programlisting>
3007
3008 </para>
3009
3010 <para>
3011 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
3012 explicit context.  For example in the first argument of the
3013 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
3014 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
3015 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
3016 mentioned in the type quantified over.
3017 </para>
3018
3019 <para>
3020 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
3021 types too.  So if you write this:
3022
3023 <programlisting>
3024   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
3025 </programlisting>
3026
3027 it's just as if you had written this:
3028
3029 <programlisting>
3030   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
3031 </programlisting>
3032
3033 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
3034 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
3035 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
3036 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
3037 </para>
3038
3039 <para>
3040 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
3041 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
3042 </para>
3043
3044 <para>
3045
3046 <programlisting>
3047     a1 :: T Int
3048     a1 = T1 (\xy->x) 3
3049     
3050     a2, a3 :: Swizzle
3051     a2 = MkSwizzle sort
3052     a3 = MkSwizzle reverse
3053     
3054     a4 :: MonadT Maybe
3055     a4 = let r x = Just x
3056              b m k = case m of
3057                        Just y -> k y
3058                        Nothing -> Nothing
3059          in
3060          MkMonad r b
3061
3062     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
3063     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
3064 </programlisting>
3065
3066 </para>
3067
3068 <para>
3069 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
3070 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
3071 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
3072 </para>
3073
3074 <para>
3075 When you use pattern matching, the bound variables may now have
3076 polymorphic types.  For example:
3077 </para>
3078
3079 <para>
3080
3081 <programlisting>
3082     f :: T a -> a -> (a, Char)
3083     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3084
3085     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
3086     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
3087
3088     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
3089     h m [] = return m []
3090     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
3091                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
3092                  return m (y:ys)
3093 </programlisting>
3094
3095 </para>
3096
3097 <para>
3098 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
3099 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
3100 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
3101 matching.
3102 </para>
3103 </sect3>
3104
3105 <sect3>
3106 <title>Type inference</title>
3107
3108 <para>
3109 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
3110 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
3111 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
3112 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
3113 </para>
3114 <para>
3115 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
3116 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
3117 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
3118 </para>
3119 <para>
3120 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
3121 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
3122 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
3123 <programlisting>
3124      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
3125 </programlisting>
3126 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
3127 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
3128 <programlisting>
3129      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3130 </programlisting>
3131 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
3132 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
3133 one can give a type signature for the function itself:
3134 <programlisting>
3135      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3136      h f = (f True, f 'c')
3137 </programlisting>
3138 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
3139 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
3140 <programlisting>
3141     f :: T a -> a -> (a, Char)
3142     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3143 </programlisting>
3144 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
3145 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
3146 it needs to know.
3147 </para>
3148
3149 </sect3>
3150
3151
3152 <sect3 id="implicit-quant">
3153 <title>Implicit quantification</title>
3154
3155 <para>
3156 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
3157 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
3158 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
3159 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
3160 equivalent:
3161 <programlisting>
3162   f :: a -> a
3163   f :: forall a. a -> a
3164
3165   g (x::a) = let
3166                 h :: a -> b -> b
3167                 h x y = y
3168              in ...
3169   g (x::a) = let
3170                 h :: forall b. a -> b -> b
3171                 h x y = y
3172              in ...
3173 </programlisting>
3174 </para>
3175 <para>
3176 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
3177 point.  For example:
3178 <programlisting>
3179   f :: (a -> a) -> Int
3180            -- MEANS
3181   f :: forall a. (a -> a) -> Int
3182            -- NOT
3183   f :: (forall a. a -> a) -> Int
3184
3185
3186   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
3187            -- MEANS the illegal type
3188   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
3189            -- NOT
3190   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
3191 </programlisting>
3192 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
3193 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
3194 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
3195 for rank-2 types.
3196 </para>
3197 </sect3>
3198 </sect2>
3199
3200
3201
3202
3203 <sect2 id="scoped-type-variables">
3204 <title>Lexically scoped type variables
3205 </title>
3206
3207 <para>
3208 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
3209 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
3210 <programlisting>
3211 f :: forall a. [a] -> [a]
3212 f xs = ys ++ ys
3213      where
3214        ys :: [a]
3215        ys = reverse xs
3216 </programlisting>
3217 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
3218 the entire definition of <literal>f</literal>.
3219 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>. 
3220 In Haskell 98 it is not possible to declare
3221 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
3222 it becomes possible to do so.
3223 </para>
3224 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
3225 <option>-fglasgow-exts</option>.
3226 </para>
3227 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
3228 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
3229 carefully!</para>
3230
3231 <sect3>
3232 <title>Overview</title>
3233
3234 <para>The design follows the following principles
3235 <itemizedlist>
3236 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
3237 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
3238 design.)</para></listitem>
3239 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
3240 type variables.  This means that every programmer-written type signature
3241 (includin one that contains free scoped type variables) denotes a
3242 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
3243 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
3244 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
3245 changing the program.</para></listitem>
3246 </itemizedlist>
3247 </para>
3248 <para>
3249 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
3250 <itemizedlist>
3251 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
3252 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
3253 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
3254 </itemizedlist>
3255 In addition, GHC supports result type signatures (<xref
3256 linkend="result-type-sigs"/>), although they never bind type variables.
3257 </para>
3258 <para>
3259 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantifed over
3260 its free type variables (<ulink
3261 url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
3262 4.1.2</ulink> 
3263 of the Haskel Report).
3264 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
3265 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
3266 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
3267 then
3268 <programlisting>
3269   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
3270   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
3271   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
3272 </programlisting>
3273 </para>
3274
3275
3276 </sect3>
3277
3278
3279 <sect3 id="decl-type-sigs">
3280 <title>Declaration type signatures</title>
3281 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3282 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3283 explicitly-quantified
3284 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3285 <programlisting>
3286   f :: forall a. [a] -> [a]
3287   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3288 </programlisting>
3289 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3290 the definition of "<literal>f</literal>".
3291 </para>
3292 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3293 signature is explicit.  For example:
3294 <programlisting>
3295   g :: [a] -> [a]
3296   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3297 </programlisting>
3298 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3299 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3300 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3301 quantification rules.
3302 </para>
3303 </sect3>
3304
3305 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3306 <title>Pattern type signatures</title>
3307 <para>
3308 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
3309 signature</emphasis>.  
3310 For example:
3311 <programlisting>
3312   -- f and g assume that 'a' is already in scope
3313   f = \(x::Int, y) -> x
3314   g (x::a) = x
3315   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
3316 </programlisting>
3317 In the case where all the type variables in the pattern type sigature are
3318 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
3319 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
3320 </para>
3321 <para>
3322 There is only one situation in which you can write a pattern type signature that
3323 mentions a type variable that is not already in scope, namely in pattern match
3324 of an existential data constructor.  For example:
3325 <programlisting>
3326   data T = forall a. MkT [a]
3327
3328   k :: T -> T
3329   k (MkT [t::a]) = MkT t3
3330                  where
3331                    t3::[a] = [t,t,t]
3332 </programlisting>
3333 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
3334 variable that is not already in scope.  Indeed, it cannot already be in scope,
3335 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
3336 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
3337 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
3338 existentially-bound type variable.
3339 </para>
3340 <para>
3341 If this seems a little odd, we think so too.  But we must have
3342 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
3343 could not name existentially-bound type variables in subequent type signatures.
3344 </para>
3345 <para>
3346 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
3347 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
3348 scope.
3349 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
3350 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
3351 </para>
3352
3353
3354 </sect3>
3355 <sect3 id="result-type-sigs">
3356 <title>Result type signatures</title>
3357
3358 <para>
3359 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
3360
3361 <programlisting>
3362   -- f assumes that 'a' is already in scope
3363   f x y :: [a] = [x,y,x]
3364
3365   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
3366
3367   h :: forall a. [a] -> a
3368   h xs = case xs of
3369             (y:ys) :: a -> y
3370 </programlisting>
3371 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
3372 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
3373 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
3374 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
3375 </para>
3376 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
3377 <para>
3378 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
3379 examples would parse quite differently with parentheses:
3380 <programlisting>
3381   -- f assumes that 'a' is already in scope
3382   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
3383
3384   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
3385
3386   h :: forall a. [a] -> a
3387   h xs = case xs of
3388             ((y:ys) :: a) -> y
3389 </programlisting>
3390 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
3391 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
3392 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
3393
3394 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3395 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3396 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3397 consider how one would parse this:
3398 <programlisting>
3399   \ x :: a -> b -> x
3400 </programlisting>
3401 </para>
3402 </sect3>
3403
3404 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
3405 <title>Class and instance declarations</title>
3406 <para>
3407
3408 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3409 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3410
3411
3412 <programlisting>
3413   class C a where
3414     op :: [a] -> a
3415
3416     op xs = let ys::[a]
3417                 ys = reverse xs
3418             in
3419             head ys
3420 </programlisting>
3421 </para>
3422 </sect3>
3423
3424 </sect2>
3425
3426 <sect2 id="deriving-typeable">
3427 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3428
3429 <para>
3430 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3431 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3432 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3433 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3434 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3435 </para>
3436 <para>
3437 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3438 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3439 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3440 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3441 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3442 </para>
3443 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3444 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3445 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3446 described in
3447 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3448 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3449 </ulink>.
3450 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3451 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3452 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3453 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3454 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3455 then writing the data type instance by hand.
3456 </para>
3457 </sect2>
3458
3459 <sect2 id="newtype-deriving">
3460 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3461
3462 <para>
3463 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3464 the new type to inherit some instances from its representation. In
3465 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3466 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3467 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3468 example, if you define
3469
3470 <programlisting> 
3471   newtype Dollars = Dollars Int 
3472 </programlisting> 
3473
3474 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3475 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3476
3477 <programlisting> 
3478   instance Num Dollars where
3479     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3480     ...
3481 </programlisting>
3482 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3483 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3484 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3485 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3486 dictionary, only slower!
3487 </para>
3488
3489
3490 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3491 <para>
3492 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3493 <programlisting> 
3494   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3495 </programlisting> 
3496
3497 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3498 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3499 derives an instance declaration of the form
3500
3501 <programlisting> 
3502   instance Num Int => Num Dollars
3503 </programlisting> 
3504
3505 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3506 </para>
3507 <para>
3508
3509 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3510 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3511 transformers, such that
3512
3513 <programlisting> 
3514   instance Monad m => Monad (State s m) 
3515   instance Monad m => Monad (Failure m)
3516 </programlisting> 
3517 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3518 <programlisting> 
3519   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3520 </programlisting> 
3521
3522 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3523 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3524 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3525
3526 <programlisting> 
3527   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3528                          deriving Monad
3529 </programlisting>
3530 In this case the derived instance declaration is of the form 
3531 <programlisting> 
3532   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3533 </programlisting> 
3534
3535 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3536 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3537 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3538 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3539 declaration.
3540 </para>
3541 <para>
3542
3543 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3544 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3545 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3546 clause. For example, given the class
3547
3548 <programlisting> 
3549   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3550   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3551 </programlisting> 
3552 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3553 <programlisting> 
3554   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3555                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3556 </programlisting>
3557
3558 The derived instance is obtained by completing the application of the
3559 class to the new type:
3560
3561 <programlisting> 
3562   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3563            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3564 </programlisting>
3565 </para>
3566 <para>
3567
3568 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3569  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3570 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3571 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3572 the newtype and its representation.
3573 </para>
3574 </sect3>
3575
3576 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3577 <para>
3578 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3579 declaration (after expansion of any type synonyms)
3580
3581 <programlisting> 
3582   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3583 </programlisting> 
3584
3585 where 
3586  <itemizedlist>
3587 <listitem><para>
3588   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type
3589 </para></listitem>
3590 <listitem><para>
3591   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in 
3592   <literal>t</literal>, and
3593 </para></listitem>
3594 <listitem><para>
3595   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3596   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3597   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3598 </para></listitem>
3599 <listitem><para>
3600   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3601                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3602                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3603                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3604                 via this new mechanism.  
3605 </para></listitem>
3606 </itemizedlist>
3607 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3608 declaration is:
3609 <programlisting> 
3610   instance ci (t vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3611 </programlisting>
3612 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3613 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3614 </para>
3615 <para>
3616
3617 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3618 <programlisting> 
3619   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3620 </programlisting> 
3621 Here we cannot derive the instance 
3622 <programlisting> 
3623   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3624 </programlisting> 
3625
3626 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3627 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3628 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3629 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3630 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3631 </para>
3632 <para>
3633
3634 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3635 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3636 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3637
3638 <programlisting> 
3639   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3640 </programlisting>
3641
3642 then we would not have been able to derive an instance for the
3643 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3644 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3645 instances is most interesting.
3646 </para>
3647 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3648 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3649 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3650 4.3.3. of the Haskell Report).
3651 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3652 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3653 the standard method is used or the one described here.)
3654 </para>
3655 </sect3>
3656
3657 </sect2>
3658
3659 <sect2 id="typing-binds">
3660 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3661
3662 <para>
3663 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3664 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3665 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3666 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3667 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3668 As each group is type-checked, any binders of the group that
3669 have
3670 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3671 polymorphic type,
3672 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3673 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3674 </para>
3675
3676 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3677 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3678 Haskell</ulink>,
3679 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3680 specified:
3681 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3682 type signature</emphasis>.
3683 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3684 typecheck.  For example, consider:
3685 <programlisting>
3686   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3687   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3688   
3689   g y = (y &lt;= y) || f True
3690 </programlisting>
3691 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3692 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3693 <literal>f</literal>,
3694 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3695 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3696 type is generalised, to get
3697 <programlisting>
3698   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3699 </programlisting>
3700 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3701 <literal>g</literal> in the type environment.
3702 </para>
3703
3704 <para>
3705 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3706 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3707 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3708 <option>-fglasgow-exts</option>
3709 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3710 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3711 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3712 <programlisting>
3713   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3714   f x = (x == x) || g True
3715   
3716   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3717   g y = (y &lt;= y) || f True
3718 </programlisting>
3719 </para>
3720 </sect2>
3721
3722 </sect1>
3723 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3724   
3725 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3726
3727 <sect1 id="gadt">
3728 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3729
3730 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3731 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3732 <programlisting>
3733   data Term a where
3734       Lit    :: Int -> Term Int
3735       Succ   :: Term Int -> Term Int
3736       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3737       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3738       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3739 </programlisting>
3740 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3741 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3742 for these <literal>Terms</literal>:
3743 <programlisting>
3744   eval :: Term a -> a
3745   eval (Lit i)      = i
3746   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3747   eval (IsZero t)   = eval t == 0
3748   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3749   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
3750 </programlisting>
3751 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3752 </para>
3753 <para> The extensions to GHC are these:
3754 <itemizedlist>
3755 <listitem><para>
3756   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3757 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3758 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3759 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3760 <programlisting>
3761   data Term :: * -> * where ...
3762 </programlisting>
3763 or even a mixture of the two:
3764 <programlisting>
3765   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3766 </programlisting>
3767 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3768 like this:
3769 <programlisting>
3770   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3771 </programlisting>
3772 </para></listitem>
3773
3774 <listitem><para>
3775 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3776 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3777 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3778 </para></listitem>
3779
3780 <listitem><para>
3781 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
3782
3783 <programlisting>
3784   data Term a where
3785       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
3786       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
3787       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
3788       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
3789       Pair   { arg1 :: Term a
3790              , arg2 :: Term b
3791              }                    :: Term (a,b)
3792       If     { cnd  :: Term Bool
3793              , tru  :: Term a
3794              , fls  :: Term a
3795              }                    :: Term a
3796 </programlisting>
3797 For every constructor that has a field <literal>f</literal>, (a) the type of
3798 field <literal>f</literal> must be the same; and (b) the
3799 result type of the constructor must be the same; both modulo alpha conversion.
3800 Hence, in our example, we cannot merge the <literal>num</literal> and <literal>arg</literal>
3801 fields above into a 
3802 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
3803 their selector functions actually have different types:
3804
3805 <programlisting>
3806   num :: Term Int -> Term Int
3807   arg :: Term Bool -> Term Int
3808 </programlisting>
3809
3810 At the moment, record updates are not yet possible with GADT, so support is 
3811 limited to record construction, selection and pattern matching:
3812
3813 <programlisting>
3814   someTerm :: Term Bool
3815   someTerm = IsZero { arg = Succ { num = Lit { val = 0 } } }
3816
3817   eval :: Term a -> a
3818   eval Lit    { val = i } = i
3819   eval Succ   { num = t } = eval t + 1
3820   eval Pred   { num = t } = eval t - 1
3821   eval IsZero { arg = t } = eval t == 0
3822   eval Pair   { arg1 = t1, arg2 = t2 } = (eval t1, eval t2)
3823   eval t@If{} = if eval (cnd t) then eval (tru t) else eval (fls t)
3824 </programlisting>
3825
3826 </para></listitem>
3827
3828 <listitem><para>
3829 You can use strictness annotations, in the obvious places
3830 in the constructor type:
3831 <programlisting>
3832   data Term a where
3833       Lit    :: !Int -> Term Int
3834       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3835       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3836 </programlisting>
3837 </para></listitem>
3838
3839 <listitem><para>
3840 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
3841 declaration, but only if the data type could also have been declared in
3842 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
3843 <programlisting>
3844   data Maybe1 a where {
3845       Nothing1 :: Maybe a ;
3846       Just1    :: a -> Maybe a
3847     } deriving( Eq, Ord )
3848
3849   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
3850        deriving( Eq, Ord )
3851 </programlisting>
3852 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
3853 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
3854 </para></listitem>
3855
3856 <listitem><para>
3857 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3858 <programlisting>
3859   eval :: Term a -> a
3860   eval (Lit i) =  ...
3861 </programlisting>
3862 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3863 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3864 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3865
3866 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3867 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3868 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3869 <programlisting>
3870   eval :: Term a -> a -> a
3871   eval (Lit i) j =  i+j
3872 </programlisting>
3873 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3874 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3875 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3876 </para>
3877 </listitem>
3878 </itemizedlist>
3879 </para>
3880
3881 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3882 <programlisting>
3883   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3884   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
3885 </programlisting>
3886 </para>
3887 </sect1>
3888
3889 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3890
3891 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3892
3893 <sect1 id="template-haskell">
3894 <title>Template Haskell</title>
3895
3896 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3897 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3898 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3899 the background to
3900 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3901 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3902 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3903 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3904 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3905 (search for the type ExpQ).
3906 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3907       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3908 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3909 </para>
3910
3911 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3912 </para>
3913
3914 <para>
3915 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3916 Tim Sheard is going to expand it.)
3917 </para>
3918
3919     <sect2>
3920       <title>Syntax</title>
3921
3922       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3923       constructions.  You need to use the flag
3924       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3925       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3926       (<option>-fth</option> is no longer implied by
3927       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
3928
3929         <itemizedlist>
3930               <listitem><para>
3931                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3932                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3933                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3934                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3935                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3936                   </para>
3937               <para> A splice can occur in place of 
3938                   <itemizedlist>
3939                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
3940                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
3941                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3942                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
3943                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
3944                     </itemizedlist>
3945            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3946         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3947         as in the paper.)
3948                 </para></listitem>
3949
3950
3951               <listitem><para>
3952                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3953                   <itemizedlist>
3954                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3955                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3956                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3957                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3958                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3959                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3960                   </itemizedlist></para></listitem>
3961
3962               <listitem><para>
3963                   Reification is written thus:
3964                   <itemizedlist>
3965                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3966                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3967                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3968                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3969                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3970                     
3971                   </itemizedlist></para>
3972                 </listitem>
3973
3974                   
3975         </itemizedlist>
3976 </sect2>
3977
3978 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3979 <para>
3980 <itemizedlist>
3981     <listitem><para>
3982     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3983     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3984     </para></listitem>
3985
3986     <listitem><para>
3987     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3988             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3989             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3990    </para></listitem>
3991
3992     <listitem><para>
3993             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3994    </para></listitem>
3995     <listitem><para>
3996             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3997               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3998               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3999               the program it compiles produces results whose representations are identical to
4000               those of the compiler itself.
4001    </para></listitem>
4002 </itemizedlist>
4003 </para>
4004 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
4005         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
4006         has been lifted.
4007 </para>
4008 </sect2>
4009  
4010 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
4011 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
4012   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
4013
4014 <programlisting>
4015
4016 {- Main.hs -}
4017 module Main where
4018
4019 -- Import our template "pr"
4020 import Printf ( pr )
4021
4022 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
4023 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
4024 -- the argument of "putStrLn".
4025 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
4026
4027
4028 {- Printf.hs -}
4029 module Printf where
4030
4031 -- Skeletal printf from the paper.
4032 -- It needs to be in a separate module to the one where
4033 -- you intend to use it.
4034
4035 -- Import some Template Haskell syntax
4036 import Language.Haskell.TH
4037
4038 -- Describe a format string
4039 data Format = D | S | L String
4040
4041 -- Parse a format string.  This is left largely to you
4042 -- as we are here interested in building our first ever
4043 -- Template Haskell program and not in building printf.
4044 parse :: String -> [Format]
4045 parse s   = [ L s ]
4046
4047 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
4048 -- of the format string.  This code will be spliced into
4049 -- the module which calls "pr", at compile time.
4050 gen :: [Format] -> ExpQ
4051 gen [D]   = [| \n -> show n |]
4052 gen [S]   = [| \s -> s |]
4053 gen [L s] = stringE s
4054
4055 -- Here we generate the Haskell code for the splice
4056 -- from an input format string.
4057 pr :: String -> ExpQ
4058 pr s      = gen (parse s)
4059 </programlisting>
4060
4061 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
4062 </para>
4063 <programlisting>
4064 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
4065 </programlisting>
4066
4067 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
4068
4069 <programlisting>
4070 $ ./main
4071 Hello
4072 </programlisting>
4073
4074 </sect2>
4075
4076 <sect2>
4077 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
4078 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
4079  
4080 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
4081 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
4082 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
4083 itself is running; this means that the compiled code referred to by
4084 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
4085 in particular this means that object code that is compiled for
4086 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
4087 expression, because profiled object code is only compatible with the
4088 profiling version of the runtime.</para>
4089
4090 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
4091 containing Template Haskell code and you need to compile it for
4092 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
4093 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
4094 The basic idea is to compile the program twice:</para>
4095
4096 <orderedlist>
4097 <listitem>
4098   <para>Compile the program or library first the normal way, without
4099   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
4100 </listitem>
4101 <listitem>
4102   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
4103   additionally use <option>-osuf
4104   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
4105   to name the object files differentliy (you can choose any suffix
4106   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
4107   load the object files built in the first step when executing splice
4108   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
4109   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
4110   GHC will emit an error message. </para>
4111 </listitem>
4112 </orderedlist>
4113 </sect2>
4114
4115 </sect1>
4116
4117 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
4118
4119 <sect1 id="arrow-notation">
4120 <title>Arrow notation
4121 </title>
4122
4123 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
4124 For more details, see
4125 <itemizedlist>
4126
4127 <listitem>
4128 <para>
4129 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
4130 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
4131 pp67&ndash;111, May 2000.
4132 </para>
4133 </listitem>
4134
4135 <listitem>
4136 <para>
4137 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
4138 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
4139 </para>
4140 </listitem>
4141
4142 <listitem>
4143 <para>
4144 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
4145 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
4146 Palgrave, 2003.
4147 </para>
4148 </listitem>
4149
4150 </itemizedlist>
4151 and the arrows web page at
4152 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
4153 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
4154 notation described in the second of these papers.
4155 What follows is a brief introduction to the notation;
4156 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
4157 This notation is translated to ordinary Haskell,
4158 using combinators from the
4159 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4160 module.
4161 </para>
4162
4163 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
4164 <screen>
4165 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
4166        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4167 </screen>
4168 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
4169 The variables of the pattern are bound in the body of the 
4170 <literal>proc</literal>-expression,
4171 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
4172 The syntax of commands is as follows:
4173 <screen>
4174 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
4175        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4176        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4177 </screen>
4178 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4179 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4180 infix operators as for expressions, and
4181 <screen>
4182 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4183        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4184        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4185        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4186        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4187        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4188
4189 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4190        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4191        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4192
4193 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4194        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4195        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4196        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4197 </screen>
4198 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4199 except that the bodies are commands instead of expressions.
4200 </para>
4201
4202 <para>
4203 Commands produce values, but (like monadic computations)
4204 may yield more than one value,
4205 or none, and may do other things as well.
4206 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4207 using commands.
4208 However the values of expressions, even monadic ones,
4209 are determined by the values of the variables they contain;
4210 this is not necessarily the case for commands.
4211 </para>
4212
4213 <para>
4214 A simple example of the new notation is the expression
4215 <screen>
4216 proc x -> f -&lt; x+1
4217 </screen>
4218 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4219 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4220 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4221 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4222 It refers to the input to the arrow.
4223 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4224 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4225 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4226 (The weird look will make more sense later.)
4227 It may be read as analogue of application for arrows.
4228 The above example is equivalent to the Haskell expression
4229 <screen>
4230 arr (\ x -> x+1) >>> f
4231 </screen>
4232 That would make no sense if the expression to the left of
4233 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4234 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4235 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4236 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4237 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4238 <screen>
4239 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4240 </screen>
4241 which is equivalent to
4242 <screen>
4243 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4244 </screen>
4245 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4246 class.
4247 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4248 you may find a monadic formulation more convenient.
4249 </para>
4250
4251 <sect2>
4252 <title>do-notation for commands</title>
4253
4254 <para>
4255 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4256 For example, you can write
4257 <screen>
4258 proc x -> do
4259         y &lt;- f -&lt; x+1
4260         g -&lt; 2*y
4261         let z = x+y
4262         t &lt;- h -&lt; x*z
4263         returnA -&lt; t+z
4264 </screen>
4265 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4266 but with commands in place of monadic expressions.
4267 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4268 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4269 <literal>y</literal>.
4270 In the next line, the output is discarded.
4271 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4272 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4273 module as <literal>arr id</literal>.
4274 The above example is treated as an abbreviation for
4275 <screen>
4276 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4277         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4278         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4279         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4280         arr snd >>>
4281         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4282         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4283         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4284         returnA
4285 </screen>
4286 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4287 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4288 defined in the
4289 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4290 module, this reduces to
4291 <screen>
4292 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4293         first f >>>
4294         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4295         first g >>>
4296         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4297         first h >>>
4298         arr (\ (t, z) -> t+z)
4299 </screen>
4300 which is what you might have written by hand.
4301 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4302 </para>
4303
4304 <para>
4305 Note that although the above translation suggests that
4306 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4307 monomorphic, the actual translation produces Core,
4308 so polymorphic variables are allowed.
4309 </para>
4310
4311 <para>
4312 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4313 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4314 <programlisting>
4315 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4316 counter = proc reset -> do
4317         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4318                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4319         returnA -&lt; output
4320 </programlisting>
4321 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4322 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4323 </para>
4324
4325 </sect2>
4326
4327 <sect2>
4328 <title>Conditional commands</title>
4329
4330 <para>
4331 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4332 input for an arrow.
4333 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4334 <screen>
4335 proc (x,y) ->
4336         if f x y
4337         then g -&lt; x+1
4338         else h -&lt; y+2
4339 </screen>
4340 which is translated to
4341 <screen>
4342 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4343         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4344 </screen>
4345 Since the translation uses <function>|||</function>,
4346 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4347 </para>
4348
4349 <para>
4350 There are also <literal>case</literal> commands, like
4351 <screen>
4352 case input of
4353     [] -> f -&lt; ()
4354     [x] -> g -&lt; x+1
4355     x1:x2:xs -> do
4356         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4357         ys &lt;- k -&lt; xs
4358         returnA -&lt; y:ys
4359 </screen>
4360 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4361 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4362 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4363 </para>
4364
4365 </sect2>
4366
4367 <sect2>
4368 <title>Defining your own control structures</title>
4369
4370 <para>
4371 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4372 modelled on those for expressions,
4373 for sequencing, value recursion and conditionals.
4374 But suitable combinators,
4375 which you can define in ordinary Haskell,
4376 may also be used to build new commands out of existing ones.
4377 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4378 These environments assign values to the free local variables of the command.
4379 Thus combinators that produce arrows from arrows
4380 may also be used to build commands from commands.
4381 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4382 <programlisting>
4383 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4384 </programlisting>
4385 so we can use it to build commands:
4386 <programlisting>
4387 expr' = proc x -> do
4388                 returnA -&lt; x
4389         &lt;+> do
4390                 symbol Plus -&lt; ()
4391                 y &lt;- term -&lt; ()
4392                 expr' -&lt; x + y
4393         &lt;+> do
4394                 symbol Minus -&lt; ()
4395                 y &lt;- term -&lt; ()
4396                 expr' -&lt; x - y
4397 </programlisting>
4398 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4399 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4400 expression on the previous line.)
4401 This is equivalent to
4402 <programlisting>
4403 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4404         &lt;+> (proc x -> do
4405                 symbol Plus -&lt; ()
4406                 y &lt;- term -&lt; ()
4407                 expr' -&lt; x + y)
4408         &lt;+> (proc x -> do
4409                 symbol Minus -&lt; ()
4410                 y &lt;- term -&lt; ()
4411                 expr' -&lt; x - y)
4412 </programlisting>
4413 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4414 (representing the environment input to the command
4415 and thence to its subcommands)
4416 and satisfy the corresponding naturality property
4417 <screen>
4418 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4419 </screen>
4420 at least for strict <literal>k</literal>.
4421 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4422 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4423 of the whole command,
4424 and also allows the translation to safely trim these environments.
4425 The operator must also not use any variable defined within the current
4426 arrow abstraction.
4427 </para>
4428
4429 <para>
4430 We could define our own operator
4431 <programlisting>
4432 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4433 untilA body cond = proc x ->
4434         if cond x then returnA -&lt; ()
4435         else do
4436                 body -&lt; x
4437                 untilA body cond -&lt; x
4438 </programlisting>
4439 and use it in the same way.
4440 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4441 there is also a more general syntax involving special brackets:
4442 <screen>
4443 proc x -> do
4444         y &lt;- f -&lt; x+1
4445         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4446 </screen>
4447 </para>
4448
4449 </sect2>
4450
4451 <sect2>
4452 <title>Primitive constructs</title>
4453
4454 <para>
4455 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4456 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4457 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4458 exception that occurred to the handler.
4459 Such an operator might have a type
4460 <screen>
4461 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4462 </screen>
4463 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4464 You could then use this with arrow notation by writing a command
4465 <screen>
4466 body `handleA` \ ex -> handler
4467 </screen>
4468 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4469 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4470 and the command <literal>handler</literal>,
4471 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4472 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4473 we are talking about commands, and something different is going on.
4474 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4475 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4476 In all the prior examples, this stack was empty.
4477 In the second argument to <function>handleA</function>,
4478 this stack consists of one value, the value of the exception.
4479 The command form of lambda merely gives this value a name.
4480 </para>
4481
4482 <para>
4483 More concretely,
4484 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4485 So operators like <function>handleA</function> that pass
4486 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4487 by pairing the values with the environment in this way.
4488 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4489 should have the form
4490 <screen>
4491 a (...(e,t1), ... tn) t
4492 </screen>
4493 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4494 (representing the environment)
4495 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4496 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4497 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4498 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4499 <replaceable>t</replaceable>.
4500 However the arrows involved need not be the same.
4501 Here are some more examples of suitable operators:
4502 <screen>
4503 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4504 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4505 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4506 </screen>
4507 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4508 by applying them to ordinary expressions, as in
4509 <screen>
4510 proc x -> do
4511         s &lt;- ...
4512         (|runReader (do { ... })|) s
4513 </screen>
4514 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4515 built using <function>runReader</function>.
4516 </para>
4517
4518 <para>
4519 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4520 the expression versions.
4521 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4522 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4523 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4524 though the results would be somewhat clumsy.
4525 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4526 <programlisting>
4527 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4528 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4529
4530 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4531 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4532 </programlisting>
4533 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4534 <programlisting>
4535 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4536 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4537 </programlisting>
4538 </para>
4539
4540 </sect2>
4541
4542 <sect2>
4543 <title>Differences with the paper</title>
4544
4545 <itemizedlist>
4546
4547 <listitem>
4548 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4549 translations, the implementation provides two forms
4550 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4551 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4552 </para>
4553 </listitem>
4554
4555 <listitem>
4556 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4557 a new <literal>form</literal> keyword.
4558 </para>
4559 </listitem>
4560
4561 </itemizedlist>
4562
4563 </sect2>
4564
4565 <sect2>
4566 <title>Portability</title>
4567
4568 <para>
4569 Although only GHC implements arrow notation directly,
4570 there is also a preprocessor
4571 (available from the 
4572 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4573 that translates arrow notation into Haskell 98
4574 for use with other Haskell systems.
4575 You would still want to check arrow programs with GHC;
4576 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4577 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4578 additional restrictions:
4579 <itemizedlist>
4580
4581 <listitem>
4582 <para>
4583 The module must import
4584 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4585 </para>
4586 </listitem>
4587
4588 <listitem>
4589 <para>
4590 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4591 These would have to go in separate modules.
4592 </para>
4593 </listitem>
4594
4595 <listitem>
4596 <para>
4597 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4598 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4599 </para>
4600 </listitem>
4601
4602 </itemizedlist>
4603 </para>
4604
4605 </sect2>
4606
4607 </sect1>
4608
4609 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
4610
4611 <sect1 id="sec-bang-patterns">
4612 <title>Bang patterns
4613 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
4614 </title>
4615 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
4616 patterns</emphasis>.   Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
4617 The <ulink
4618 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
4619 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
4620 than the material below.
4621 </para>
4622 <para>
4623 Bang patterns are enabled by the flag <option>-fbang-patterns</option>.
4624 </para>
4625
4626 <sect2 id="sec-bang-patterns-informal">
4627 <title>Informal description of bang patterns
4628 </title>
4629 <para>
4630 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
4631 <programlisting>
4632   pat ::= !pat
4633 </programlisting>
4634 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
4635 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
4636 Example:
4637 <programlisting>
4638 f1 !x = True
4639 </programlisting>
4640 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
4641 whereas without the bang it would be lazy.
4642 Bang patterns can be nested of course:
4643 <programlisting>
4644 f2 (!x, y) = [x,y]
4645 </programlisting>
4646 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
4647 <literal>y</literal>.  
4648 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
4649 <programlisting>
4650 f3 !(x,y) = [x,y]
4651 f4 (x,y)  = [x,y]
4652 </programlisting>
4653 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; putting a bang before a pattern that
4654 forces evaluation anyway does nothing.
4655 </para><para>
4656 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
4657 <programlisting>
4658 g5 x = let y = f x in body
4659 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
4660 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
4661 </programlisting>
4662 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
4663 But <literal>g7</literal> evalutes <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
4664 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
4665 </para><para>
4666 Bang patterns work in <literal>let</literal> and <literal>where</literal>
4667 definitions too. For example:
4668 <programlisting>
4669 let ![x,y] = e in b
4670 </programlisting>
4671 is a strict pattern: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
4672 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>
4673 The "<literal>!</literal>" should not be regarded as part of the pattern; after all,
4674 in a function argument <literal>![x,y]</literal> means the 
4675 same as <literal>[x,y]</literal>.  Rather, the "<literal>!</literal>" 
4676 is part of the syntax of <literal>let</literal> bindings.
4677 </para>
4678 </sect2>
4679
4680
4681 <sect2 id="sec-bang-patterns-sem">
4682 <title>Syntax and semantics
4683 </title>
4684 <para>
4685
4686 We add a single new production to the syntax of patterns:
4687 <programlisting>
4688   pat ::= !pat
4689 </programlisting>
4690 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
4691 <programlisting>
4692 f !x = 3
4693 </programlisting>
4694 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
4695 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
4696 ambiguity inf favour of the latter.  If you want to define
4697 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
4698 prefix notation:
4699 <programlisting>
4700 (!) f x = 3
4701 </programlisting>
4702 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
4703 url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
4704 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
4705 one extra item 10, saying:
4706 <itemizedlist><listitem><para>Matching
4707 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
4708 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
4709                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
4710                 <literal>v</literal></para></listitem>
4711 </itemizedlist>
4712 </para></listitem></itemizedlist>
4713 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
4714 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
4715 <programlisting>
4716 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
4717    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
4718 </programlisting>
4719 </para><para>
4720 That leaves let expressions, whose translation is given in 
4721 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
4722 3.12</ulink>
4723 of the Haskell Report.
4724 In the translation box, first apply 
4725 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
4726 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
4727 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
4728 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
4729 </para>
4730 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
4731 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
4732 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
4733 thus:
4734 <programlisting>
4735   let !y = f x in b
4736 </programlisting>
4737
4738 </para>
4739 <para>
4740 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
4741 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
4742 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
4743      is equivalent to
4744 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
4745 </para>
4746 <para>
4747 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
4748 a module.
4749 </para>
4750 </sect2>
4751 </sect1>
4752
4753 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4754
4755 <sect1 id="sec-assertions">
4756 <title>Assertions
4757 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4758 </title>
4759
4760 <para>
4761 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4762 could define a function like the following:
4763 </para>
4764
4765 <para>
4766
4767 <programlisting>
4768 assert :: Bool -> a -> a
4769 assert False x = error "assertion failed!"
4770 assert _     x = x
4771 </programlisting>
4772
4773 </para>
4774
4775 <para>
4776 which works, but gives you back a less than useful error message --
4777 an assertion failed, but which and where?
4778 </para>
4779
4780 <para>
4781 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4782 takes a descriptive string to include in the error message and
4783 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4784 the source location where <function>assert</function> was used.
4785 </para>
4786
4787 <para>
4788 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4789 use of <function>assert</function> in the user's source:
4790 </para>
4791
4792 <para>
4793
4794 <programlisting>
4795 kelvinToC :: Double -> Double
4796 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4797 </programlisting>
4798
4799 </para>
4800
4801 <para>
4802 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4803 assertion was made,
4804 </para>
4805
4806 <para>
4807
4808 <programlisting>
4809 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4810 </programlisting>
4811
4812 </para>
4813
4814 <para>
4815 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4816 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4817 can still define and use your own versions of
4818 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4819 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4820 <function>assert</function> in your code.
4821 </para>
4822
4823 <para>
4824 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
4825       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
4826 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4827 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
4828       <option>-fignore-asserts</option>
4829       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
4830       </indexterm>.</para>
4831
4832 <para>
4833 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4834 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4835 </para>
4836
4837 </sect1>
4838
4839
4840 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4841
4842   <sect1 id="pragmas">
4843     <title>Pragmas</title>
4844
4845     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4846
4847     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4848     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4849     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4850     of the generated code.</para>
4851
4852     <para>Pragmas all take the form
4853
4854 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4855
4856     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4857     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4858     type of pragma.  Case is ignored in
4859     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4860     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4861     in the following sections; any pragma encountered with an
4862     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4863     ignored.</para>
4864
4865     <sect2 id="deprecated-pragma">
4866       <title>DEPRECATED pragma</title>
4867       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4868       </indexterm>
4869
4870       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4871       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4872       forms.
4873
4874       <itemizedlist>
4875         <listitem>
4876           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4877 <programlisting>
4878    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4879      ...
4880 </programlisting>
4881           <para>When you compile any module that import
4882           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4883           message.</para>
4884         </listitem>
4885
4886         <listitem>
4887           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
4888           following top-level declaration:</para>
4889 <programlisting>
4890    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4891 </programlisting>
4892           <para>When you compile any module that imports and uses any
4893           of the specified entities, GHC will print the specified
4894           message.</para>
4895           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
4896           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
4897           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
4898           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
4899           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
4900           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
4901           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
4902         </listitem>
4903       </itemizedlist>
4904       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4905       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4906       deprecations are not reported for
4907       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4908       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4909       The latter reduces spurious complaints within a library
4910       in which one module gathers together and re-exports 
4911       the exports of several others.
4912       </para>
4913       <para>You can suppress the warnings with the flag
4914       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4915     </sect2>
4916
4917     <sect2 id="include-pragma">
4918       <title>INCLUDE pragma</title>
4919
4920       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4921         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4922         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4923         compiling via C).  For example:</para>
4924
4925 <programlisting>
4926 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4927 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4928
4929       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4930         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4931         pragma(s).</para>
4932
4933       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4934         to the <option>-#include</option> option (<xref
4935           linkend="options-C-compiler" />), because the
4936         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4937         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4938         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4939         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4940     </sect2>
4941
4942     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4943       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4944
4945       <para>These pragmas control the inlining of function
4946       definitions.</para>
4947
4948       <sect3 id="inline-pragma">
4949         <title>INLINE pragma</title>
4950         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4951
4952         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4953         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4954         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4955         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4956         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4957         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4958         export that unfolding for other modules to use.</para>
4959
4960         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4961         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4962         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4963
4964 <programlisting>
4965 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4966
4967 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4968 {-# INLINE key_function #-}
4969 #endif
4970 </programlisting>
4971
4972         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4973         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4974         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4975
4976         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4977         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4978         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4979         inline it.</para>
4980
4981         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4982         function can be put anywhere its type signature could be
4983         put.</para>
4984
4985         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4986         good idea for the
4987         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4988         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4989         a monad.  For example, in GHC's own
4990         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4991
4992 <programlisting>
4993 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4994 {-# INLINE thenUs #-}
4995 {-# INLINE returnUs #-}
4996 #endif
4997 </programlisting>
4998
4999         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
5000         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
5001       </sect3>
5002
5003       <sect3 id="noinline-pragma">
5004         <title>NOINLINE pragma</title>
5005         
5006         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
5007         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
5008
5009         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
5010         you'd expect: it stops the named function from being inlined
5011         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
5012         you're very cautious about code size.</para>
5013
5014         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
5015         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
5016         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
5017         inlining, so it should be used if you want your code to be
5018         portable).</para>
5019       </sect3>
5020
5021       <sect3 id="phase-control">
5022         <title>Phase control</title>
5023
5024         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
5025         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
5026         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
5027         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
5028         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
5029         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
5030         sequence of phase numbers for successive runs of the
5031         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
5032         phase number, thus:
5033         <itemizedlist>
5034           <listitem>
5035             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5036             <literal>f</literal>
5037               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5038               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
5039             </para></listitem>
5040           <listitem>
5041             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
5042             <literal>f</literal>
5043               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5044               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5045             </para></listitem>
5046           <listitem>
5047             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5048             <literal>f</literal>
5049               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5050               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
5051               there was no pragma).
5052             </para></listitem>
5053             <listitem>
5054             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
5055             <literal>f</literal>
5056               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5057               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5058             </para></listitem>
5059         </itemizedlist>
5060 The same information is summarised here:
5061 <programlisting>
5062                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
5063   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
5064   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
5065   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
5066   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
5067
5068   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
5069   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
5070 </programlisting>
5071 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
5072 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
5073 Another way to understand the semantics is this:
5074 <itemizedlist>
5075 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
5076 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
5077 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
5078 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
5079 happen.
5080 </para></listitem>
5081 </itemizedlist>
5082 </para>
5083 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
5084         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
5085       </sect3>
5086     </sect2>
5087
5088     <sect2 id="language-pragma">
5089       <title>LANGUAGE pragma</title>
5090
5091       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5092       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
5093
5094       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
5095         It is the intention that all Haskell compilers support the
5096         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
5097         all extensions are supported by all compilers, of
5098         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
5099         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
5100
5101       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
5102
5103 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
5104
5105       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
5106         <ulink
5107           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>
5108     </sect2>
5109
5110
5111     <sect2 id="line-pragma">
5112       <title>LINE pragma</title>
5113
5114       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5115       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
5116       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
5117       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
5118       code.  It lets you specify the line number and filename of the
5119       original code; for example</para>
5120
5121 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
5122
5123       <para>if you'd generated the current file from something called
5124       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
5125       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
5126       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
5127       pragma.</para>
5128     </sect2>
5129
5130     <sect2 id="options-pragma">
5131       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
5132       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
5133       </indexterm>
5134       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
5135       </indexterm>
5136
5137       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
5138       additional options that are given to the compiler when compiling
5139       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
5140       details.</para>
5141
5142       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
5143         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
5144     </sect2>
5145
5146     <sect2 id="rules">
5147       <title>RULES pragma</title>
5148
5149       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
5150       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
5151     </sect2>
5152
5153     <sect2 id="specialize-pragma">
5154       <title>SPECIALIZE pragma</title>
5155
5156       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5157       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
5158       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5159
5160       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
5161       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
5162       specialised to particular types.  Thus, if you have an
5163       overloaded function:</para>
5164
5165 <programlisting>
5166   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
5167 </programlisting>
5168
5169       <para>If it is heavily used on lists with
5170       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
5171       follows:</para>
5172
5173 <programlisting>
5174   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
5175 </programlisting>
5176
5177       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
5178       be put anywhere its type signature could be put.</para>
5179
5180       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
5181       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
5182       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
5183       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
5184
5185       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
5186         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
5187         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
5188 <programlisting>
5189   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
5190 </programlisting>
5191       is valid if and only if the defintion
5192 <programlisting>
5193   f_spec :: &lt;type&gt;
5194   f_spec = f
5195 </programlisting>
5196       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
5197       for the original function, not its code):
5198 <programlisting>
5199   f :: Eq a => a -> b -> b
5200   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
5201
5202   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
5203   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
5204
5205   h :: Eq a => a -> a -> a
5206   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
5207 </programlisting>  
5208 The last of these examples will generate a 
5209 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
5210 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
5211 </para>
5212
5213 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
5214 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
5215 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
5216 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised verison of the
5217 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
5218 example is this:
5219 <programlisting>
5220 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
5221 data Arr e where
5222   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
5223   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
5224
5225 (!:) :: Arr e -> Int -> e
5226 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
5227 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
5228 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
5229 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
5230 </programlisting>
5231 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
5232 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
5233 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
5234 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
5235 <literal>(!:)</literal>,
5236 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
5237 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
5238 unrolling of the indexing function.</para>
5239 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
5240 on an ordinarily-recursive function.</para>
5241
5242       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
5243       specialised function for a given type:
5244
5245 <programlisting>
5246 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
5247 </programlisting>
5248
5249       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
5250       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
5251
5252     </sect2>
5253
5254 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
5255 <title>SPECIALIZE instance pragma
5256 </title>
5257
5258 <para>
5259 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5260 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5261 Same idea, except for instance declarations.  For example:
5262
5263 <programlisting>
5264 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
5265    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
5266    ... usual stuff ...
5267  }
5268 </programlisting>
5269 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
5270 of the instance declaration.
5271 </para>
5272 <para>
5273 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
5274 of the pragma.
5275 </para>
5276
5277 </sect2>
5278
5279     <sect2 id="unpack-pragma">
5280       <title>UNPACK pragma</title>
5281
5282       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
5283       
5284       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
5285       that it should unpack the contents of a constructor field into
5286       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
5287       example:</para>
5288
5289 <programlisting>
5290 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
5291            {-# UNPACK #-} !Float
5292 </programlisting>
5293
5294       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
5295       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
5296       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
5297       floats passed to a non-strict function for example, they will
5298       have to be reboxed (this is done automatically by the
5299       compiler).</para>
5300
5301       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
5302       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
5303       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
5304       often as possible.  For example:</para>
5305
5306 <programlisting>
5307 f :: T -&#62; Float
5308 f (T f1 f2) = f1 + f2
5309 </programlisting>
5310
5311       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
5312       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
5313       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
5314
5315       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
5316       example</para>
5317
5318 <programlisting>
5319 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
5320 </programlisting>
5321
5322       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
5323       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5324       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5325
5326 <programlisting>
5327 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5328 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5329 </programlisting>
5330
5331       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5332       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5333       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5334
5335       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5336       so it might be an idea to check the generated code with
5337       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5338
5339       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5340       which essentially has the effect of adding
5341       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5342       constructor field.</para>
5343     </sect2>
5344
5345 </sect1>
5346
5347 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5348
5349 <sect1 id="rewrite-rules">
5350 <title>Rewrite rules
5351
5352 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5353 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5354 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5355
5356 <para>
5357 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5358 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5359 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5360 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5361 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified, and (c) the
5362 <option>-fglasgow-exts</option> (<xref linkend="options-language"/>)
5363 flag is active.
5364 </para>
5365
5366 <para>
5367 Here is an example:
5368
5369 <programlisting>
5370   {-# RULES
5371         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5372   #-}
5373 </programlisting>
5374
5375 </para>
5376
5377 <sect2>
5378 <title>Syntax</title>
5379
5380 <para>
5381 From a syntactic point of view:
5382
5383 <itemizedlist>
5384 <listitem>
5385
5386 <para>
5387  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5388 </para>
5389 </listitem>
5390
5391 <listitem>
5392
5393 <para>
5394  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5395 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5396 </para>
5397 </listitem>
5398
5399 <listitem>
5400 <para>
5401 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5402 immediately after the name of the rule.  Thus:
5403 <programlisting>
5404   {-# RULES
5405         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5406   #-}
5407 </programlisting>
5408 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5409 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5410 Phase 2.
5411 </para>
5412 </listitem>
5413
5414
5415 <listitem>
5416
5417 <para>
5418  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5419 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5420 enclosing definitions.
5421 </para>
5422 </listitem>
5423
5424 <listitem>
5425
5426 <para>
5427  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5428 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5429 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5430 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5431 </para>
5432 </listitem>
5433 <listitem>
5434
5435 <para>
5436  A pattern variable may optionally have a type signature.
5437 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5438 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5439
5440 <programlisting>
5441 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5442               foldr k z (build g) = g k z
5443 </programlisting>
5444
5445 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5446
5447 </para>
5448 </listitem>
5449 <listitem>
5450
5451 <para>
5452 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5453 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5454
5455 <programlisting>
5456 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5457 "wrong2"   forall f.      f True = True
5458 </programlisting>
5459
5460 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5461 in the head.
5462 </para>
5463 </listitem>
5464 <listitem>
5465
5466 <para>
5467  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5468 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5469 </para>
5470 </listitem>
5471 <listitem>
5472
5473 <para>
5474  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5475 </para>
5476 </listitem>
5477
5478 </itemizedlist>
5479
5480 </para>
5481
5482 </sect2>
5483
5484 <sect2>
5485 <title>Semantics</title>
5486
5487 <para>
5488 From a semantic point of view:
5489
5490 <itemizedlist>
5491 <listitem>
5492
5493 <para>
5494 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5495 </para>
5496 </listitem>
5497
5498 <listitem>
5499 <para>
5500  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5501 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5502 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5503 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5504 expression by substituting for the pattern variables.
5505
5506 </para>
5507 </listitem>
5508 <listitem>
5509
5510 <para>
5511  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5512 same type.
5513
5514 </para>
5515 </listitem>
5516 <listitem>
5517
5518 <para>
5519  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5520 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5521 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5522
5523 </para>
5524 </listitem>
5525 <listitem>
5526
5527 <para>
5528  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5529 terminating.  For example:
5530
5531 <programlisting>
5532   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5533 </programlisting>
5534
5535 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5536
5537 </para>
5538 </listitem>
5539 <listitem>
5540
5541 <para>
5542  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5543
5544 </para>
5545 </listitem>
5546 <listitem>
5547 <para>
5548  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5549 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5550 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5551 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5552 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5553 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5554 </para>
5555
5556 <para>
5557 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5558 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5559 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5560 </para>
5561 </listitem>
5562 <listitem>
5563
5564 <para>
5565  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5566 For example, consider:
5567
5568 <programlisting>
5569   let s = map f
5570       t = map g
5571   in
5572   s (t xs)
5573 </programlisting>
5574
5575 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5576 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5577 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5578 not be substituted, and the rule would not fire.
5579
5580 </para>
5581 </listitem>
5582 <listitem>
5583
5584 <para>
5585  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5586 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5587 for something you can't match against it (given the simple minded
5588 matching).  So if you write the rule
5589
5590 <programlisting>
5591         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5592 </programlisting>
5593
5594 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5595 It will only match something written with explicit use of ".".
5596 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5597
5598 <programlisting>
5599 wibble f g xs
5600 </programlisting>
5601
5602 where <function>wibble</function> is defined:
5603
5604 <programlisting>
5605 wibble f g = map f . map g
5606 </programlisting>
5607
5608 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5609
5610 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5611 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5612 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5613
5614 </para>
5615 </listitem>
5616 <listitem>
5617
5618 <para>
5619  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5620 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5621 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5622 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5623 declarations.
5624 </para>
5625 </listitem>
5626
5627 </itemizedlist>
5628
5629 </para>
5630
5631 </sect2>
5632
5633 <sect2>
5634 <title>List fusion</title>
5635
5636 <para>
5637 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5638 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5639 intermediate list should be eliminated entirely.
5640 </para>
5641
5642 <para>
5643 The following are good producers:
5644
5645 <itemizedlist>
5646 <listitem>
5647
5648 <para>
5649  List comprehensions
5650 </para>
5651 </listitem>
5652 <listitem>
5653
5654 <para>
5655  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5656 </para>
5657 </listitem>
5658 <listitem>
5659
5660 <para>
5661  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5662 </para>
5663 </listitem>
5664 <listitem>
5665
5666 <para>
5667  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5668 </para>
5669 </listitem>
5670 <listitem>
5671
5672 <para>
5673  <function>++</function>
5674 </para>
5675 </listitem>
5676
5677 <listitem>
5678 <para>
5679  <function>map</function>
5680 </para>
5681 </listitem>
5682
5683 <listitem>
5684 <para>
5685 <function>take</function>, <function>filter</function>
5686 </para>
5687 </listitem>
5688 <listitem>
5689
5690 <para>
5691  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5692 </para>
5693 </listitem>
5694 <listitem>
5695
5696 <para>
5697  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5698 </para>
5699 </listitem>
5700
5701 </itemizedlist>
5702
5703 </para>
5704
5705 <para>
5706 The following are good consumers:
5707
5708 <itemizedlist>
5709 <listitem>
5710
5711 <para>
5712  List comprehensions
5713 </para>
5714 </listitem>
5715 <listitem>
5716
5717 <para>
5718  <function>array</function> (on its second argument)
5719 </para>
5720 </listitem>
5721 <listitem>
5722
5723 <para>
5724  <function>length</function>
5725 </para>
5726 </listitem>
5727 <listitem>
5728
5729 <para>
5730  <function>++</function> (on its first argument)
5731 </para>
5732 </listitem>
5733
5734 <listitem>
5735 <para>
5736  <function>foldr</function>
5737 </para>
5738 </listitem>
5739
5740 <listitem>
5741 <para>
5742  <function>map</function>
5743 </para>
5744 </listitem>
5745 <listitem>
5746
5747 <para>
5748 <function>take</function>, <function>filter</function>
5749 </para>
5750 </listitem>
5751 <listitem>
5752
5753 <para>
5754  <function>concat</function>
5755 </para>
5756 </listitem>
5757 <listitem>
5758
5759 <para>
5760  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5761 </para>
5762 </listitem>
5763 <listitem>
5764
5765 <para>
5766  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5767 will fuse with one but not the other)
5768 </para>
5769 </listitem>
5770 <listitem>
5771
5772 <para>
5773  <function>partition</function>
5774 </para>
5775 </listitem>
5776 <listitem>
5777
5778 <para>
5779  <function>head</function>
5780 </para>
5781 </listitem>
5782 <listitem>
5783
5784 <para>
5785  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5786 </para>
5787 </listitem>
5788 <listitem>
5789
5790 <para>
5791  <function>sequence&lowbar;</function>
5792 </para>
5793 </listitem>
5794 <listitem>
5795
5796 <para>
5797  <function>msum</function>
5798 </para>
5799 </listitem>
5800 <listitem>
5801
5802 <para>
5803  <function>sortBy</function>
5804 </para>
5805 </listitem>
5806
5807 </itemizedlist>
5808
5809 </para>
5810
5811  <para>
5812 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5813
5814 <programlisting>
5815 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5816 </programlisting>
5817
5818 </para>
5819
5820 <para>
5821 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5822 a lot which are not included, please tell us.
5823 </para>
5824
5825 <para>
5826 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5827 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5828 </para>
5829
5830 </sect2>
5831
5832 <sect2 id="rule-spec">
5833 <title>Specialisation
5834 </title>
5835
5836 <para>
5837 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5838 present in earlier versions of GHC.
5839 For example, suppose that:
5840
5841 <programlisting>
5842 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5843 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5844 </programlisting>
5845
5846 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5847 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5848 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5849 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5850 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5851 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5852 It used to be possible to write
5853
5854 <programlisting>
5855 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5856 </programlisting>
5857
5858 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5859
5860 <programlisting>
5861 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5862 </programlisting>
5863
5864 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5865 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5866 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5867 What is more, this rule does not need to be in the same
5868 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5869 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5870 have an original definition available to specialise).
5871 </para>
5872
5873 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5874 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5875 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5876
5877 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5878 specialisation will Win Big:
5879
5880 <programlisting>
5881 toDouble :: Real a => a -> Double
5882 toDouble = fromRational . toRational
5883
5884 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5885 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5886 </programlisting>
5887
5888 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5889 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5890 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5891 comparison.
5892 </para>
5893
5894 </sect2>
5895
5896 <sect2>
5897 <title>Controlling what's going on</title>
5898
5899 <para>
5900
5901 <itemizedlist>
5902 <listitem>
5903
5904 <para>
5905  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5906 </para>
5907 </listitem>
5908 <listitem>
5909
5910 <para>
5911  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5912 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5913 </para>
5914 </listitem>
5915 <listitem>
5916
5917 <para>
5918  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5919
5920 <programlisting>
5921         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5922         {-# INLINE build #-}
5923         build g = g (:) []
5924 </programlisting>
5925
5926 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5927 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5928 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5929 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5930
5931 </para>
5932 </listitem>
5933 <listitem>
5934
5935 <para>
5936  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5937 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5938 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5939 </para>
5940 </listitem>
5941
5942 </itemizedlist>
5943
5944 </para>
5945
5946 </sect2>
5947
5948 <sect2 id="core-pragma">
5949   <title>CORE pragma</title>
5950
5951   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5952   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5953   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5954
5955 <para>
5956   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5957   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5958   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5959   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5960   literal as an argument.  The following function definition shows an
5961   example:
5962
5963 <programlisting>
5964 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5965 </programlisting>
5966
5967   Semantically, this is equivalent to:
5968
5969 <programlisting>
5970 g x = show x
5971 </programlisting>
5972 </para>
5973
5974 <para>
5975   However, when external for is generated (via
5976   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5977   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5978   The core function declaration for <function>f</function> is:
5979 </para>
5980
5981 <programlisting>
5982   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5983                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5984     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5985         (%note "foo"
5986          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5987            {GHCziShow.ZCDShow
5988             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5989                    a ->
5990                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5991 r)
5992             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5993             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5994                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5995 r) ->
5996               tpl2})
5997         (%note "foo"
5998          eta);
5999 </programlisting>
6000
6001 <para>
6002   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
6003   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
6004   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
6005   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
6006   <varname>x</varname>).
6007 </para>
6008
6009 </sect2>
6010
6011 </sect1>
6012
6013 <sect1 id="special-ids">
6014 <title>Special built-in functions</title>
6015 <para>GHC has a few built-in funcions with special behaviour, 
6016 described in this section.  All are exported by
6017 <literal>GHC.Exts</literal>.</para>
6018
6019 <sect2> <title>The <literal>inline</literal> function </title>
6020 <para>
6021 The <literal>inline</literal> function is somewhat experimental.
6022 <programlisting>
6023   inline :: a -> a
6024 </programlisting>
6025 The call <literal>(inline f)</literal> arranges that <literal>f</literal> 
6026 is inlined, regardless of its size.  More precisely, the call
6027 <literal>(inline f)</literal> rewrites to the right-hand side of <literal>f</literal>'s 
6028 definition.  
6029 This allows the programmer to control inlining from 
6030 a particular <emphasis>call site</emphasis>
6031 rather than the <emphasis>definition site</emphasis> of the function 
6032 (c.f. <literal>INLINE</literal> pragmas <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>).
6033 </para>
6034 <para>
6035 This inlining occurs regardless of the argument to the call
6036 or the size of <literal>f</literal>'s definition; it is unconditional.
6037 The main caveat is that <literal>f</literal>'s definition must be
6038 visible to the compiler.  That is, <literal>f</literal> must be
6039 let-bound in the current scope.
6040 If no inlining takes place, the <literal>inline</literal> function
6041 expands to the identity function in Phase zero; so its use imposes
6042 no overhead.</para>
6043
6044 <para> If the function is defined in another
6045 module, GHC only exposes its inlining in the interface file if the
6046 function is sufficiently small that it <emphasis>might</emphasis> be
6047 inlined by the automatic mechanism.  There is currently no way to tell
6048 GHC to expose arbitrarily-large functions in the interface file.  (This
6049 shortcoming is something that could be fixed, with some kind of pragma.)
6050 </para>
6051 </sect2>
6052
6053 <sect2> <title>The <literal>lazy</literal> function </title>
6054 <para>
6055 The <literal>lazy</literal> function restrains strictness analysis a little:
6056 <programlisting>
6057   lazy :: a -> a
6058 </programlisting>
6059 The call <literal>(lazy e)</literal> means the same as <literal>e</literal>, 
6060 but <literal>lazy</literal> has a magical property so far as strictness
6061 analysis is concerned: it is lazy in its first argument,
6062 even though its semantics is strict.  After strictness analysis has run,
6063 calls to <literal>lazy</literal> are inlined to be the identity function.
6064 </para>
6065 <para>
6066 This behaviour is occasionally useful when controlling evaluation order.
6067 Notably, <literal>lazy</literal> is used in the library definition of
6068 <literal>Control.Parallel.par</literal>:
6069 <programlisting>
6070   par :: a -> b -> b
6071   par x y = case (par# x) of { _ -> lazy y }
6072 </programlisting>
6073 If <literal>lazy</literal> were not lazy, <literal>par</literal> would
6074 look strict in <literal>y</literal> which would defeat the whole 
6075 purpose of <literal>par</literal>.
6076 </para>
6077 </sect2>
6078
6079 <sect2> <title>The <literal>unsafeCoerce#</literal> function </title>
6080 <para>
6081 The function <literal>unsafeCoerce#</literal> allows you to side-step the
6082 typechecker entirely.  It has type
6083 <programlisting>
6084   unsafeCoerce# :: a -> b
6085 </programlisting>
6086 That is, it allows you to coerce any type into any other type.  If you use this
6087 function, you had better get it right, otherwise segmentation faults await. 
6088 It is generally used when you want to write a program that you know is
6089 well-typed, but where Haskell's type system is not expressive enough to prove
6090 that it is well typed.
6091 </para>
6092 </sect2>
6093 </sect1>
6094
6095
6096 <sect1 id="generic-classes">
6097 <title>Generic classes</title>
6098
6099     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
6100     GHC 5.02).</para>
6101
6102 <para>
6103 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
6104 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
6105 An example will give the idea:
6106 </para>
6107
6108 <programlisting>
6109   import Generics
6110
6111   class Bin a where
6112     toBin   :: a -> [Int]
6113     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
6114   
6115     toBin {| Unit |}    Unit      = []
6116     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
6117     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
6118     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
6119   
6120     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
6121     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
6122     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
6123     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
6124                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
6125 </programlisting>
6126 <para>
6127 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
6128 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
6129 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
6130 </para>
6131 <programlisting>
6132   data Unit    = Unit
6133   data a :+: b = Inl a | Inr b
6134   data a :*: b = a :*: b
6135 </programlisting>
6136 <para>
6137 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
6138 <programlisting>
6139   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
6140   instance Bin a => Bin [a]
6141 </programlisting>
6142 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
6143 where clause and over-ride whichever methods you please.
6144 </para>
6145
6146     <sect2>
6147       <title> Using generics </title>
6148       <para>To use generics you need to</para>
6149       <itemizedlist>
6150         <listitem>
6151           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
6152                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
6153                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
6154                 available.  </para>
6155         </listitem>
6156         <listitem>
6157           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
6158           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
6159           scope the data types <literal>Unit</literal>,
6160           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
6161           don't need this import if you don't mention these types
6162           explicitly; for example, if you are simply giving instance
6163           declarations.)</para>
6164         </listitem>
6165       </itemizedlist>
6166     </sect2>
6167
6168 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
6169 <para>
6170 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
6171 can be written infix (indeed, you can now use
6172 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
6173 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
6174 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
6175 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
6176 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
6177 anticipate wanting).
6178 </para>
6179 </sect2>
6180
6181 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
6182 <para>
6183 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
6184 is one that is defined using type patterns as above.
6185 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
6186 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
6187 generic default method.
6188 </para>
6189
6190 <para>
6191 Restrictions:
6192 <itemizedlist>
6193 <listitem>
6194 <para>
6195 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
6196 field labels.
6197 </para>
6198 </listitem>
6199
6200 <listitem>
6201 <para>
6202 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
6203 multi-parameter class.
6204 </para>
6205 </listitem>
6206
6207 <listitem>
6208 <para>
6209 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
6210 without.  So this is illegal:
6211 <programlisting>
6212   class Foo a where
6213     op :: a -> (a, Bool)
6214     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
6215     op x               = (x,    False)
6216 </programlisting>
6217 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
6218 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
6219 </para>
6220 </listitem>
6221
6222 <listitem>
6223 <para>
6224 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
6225 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:
6226 <programlisting>
6227   class Foo a where
6228     op :: a -> Bool
6229     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
6230     ...
6231 </programlisting>
6232 </para>
6233 </listitem>
6234
6235 <listitem>
6236 <para>
6237 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
6238 <programlisting>
6239        a :+: b
6240        a :*: b
6241        Unit
6242 </programlisting>
6243 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
6244 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
6245 must use the same type variables.  So this is illegal:
6246 <programlisting>
6247   class Foo a where
6248     op :: a -> Bool
6249     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
6250     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
6251 </programlisting>
6252 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
6253 So this too is illegal:
6254 <programlisting>
6255   class Foo a where
6256     op1 :: a -> Bool
6257     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
6258
6259     op2 :: a -> Bool
6260     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
6261 </programlisting>
6262 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
6263 into a single generic instance declaration.)
6264 </para>
6265 </listitem>
6266
6267 <listitem>
6268 <para>
6269 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
6270 </para>
6271 </listitem>
6272
6273 <listitem>
6274 <para>
6275 The type for a generic method can be built only from:
6276   <itemizedlist>
6277   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
6278   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
6279   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
6280   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
6281   </itemizedlist>
6282 Here are some example type signatures for generic methods:
6283 <programlisting>
6284     op1 :: a -> Bool
6285     op2 :: Bool -> (a,Bool)
6286     op3 :: [Int] -> a -> a
6287     op4 :: [a] -> Bool
6288 </programlisting>
6289 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
6290 inside a list.  
6291 </para>
6292 <para>
6293 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
6294 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
6295 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
6296 to the ones that are allowed.</para>
6297 </listitem>
6298
6299 <listitem>
6300 <para>
6301 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
6302 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
6303 do so if
6304   <itemizedlist>
6305   <listitem>
6306   <para>
6307   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
6308   </para>
6309   </listitem>
6310   <listitem>
6311   <para>
6312   No constructor of the instance type has unboxed fields.
6313   </para>
6314   </listitem>
6315   </itemizedlist>
6316 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
6317 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
6318 provided you give explicit code to override any generic default methods.
6319 </para>
6320 </listitem>
6321
6322 </itemizedlist>
6323 </para>
6324
6325 <para>
6326 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
6327 what the compiler does with generic declarations.
6328 </para>
6329
6330 </sect2>
6331
6332 <sect2> <title> Another example </title>
6333 <para>
6334 Just to finish with, here's another example I rather like:
6335 <programlisting>
6336   class Tag a where
6337     nCons :: a -> Int
6338     nCons {| Unit |}    _ = 1
6339     nCons {| a :*: b |} _ = 1
6340     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
6341   
6342     tag :: a -> Int
6343     tag {| Unit |}    _       = 1
6344     tag {| a :*: b |} _       = 1   
6345     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
6346     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
6347 </programlisting>
6348 </para>
6349 </sect2>
6350 </sect1>
6351
6352 <sect1 id="monomorphism">
6353 <title>Control over monomorphism</title>
6354
6355 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
6356 carried out at let and where bindings.
6357 </para>
6358
6359 <sect2>
6360 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
6361           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
6362
6363 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
6364 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
6365 4.5.5</ulink>
6366 of the Haskell Report)
6367 can be completely switched off by
6368 <option>-fno-monomorphism-restriction</option>.
6369 </para>
6370 </sect2>
6371
6372 <sect2>
6373 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
6374           <indexterm><primary><option>-fno-mono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6375           <indexterm><primary><option>-fmono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6376
6377           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
6378           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
6379             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
6380             and is not a simple variable.  For example:
6381 <programlisting>
6382   f x = x                    -- Not a pattern binding
6383   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
6384   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
6385
6386   (g,h) = e                  -- A pattern binding
6387   (f) = e                    -- A pattern binding
6388   [x] = e                    -- A pattern binding
6389 </programlisting>
6390 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
6391 default</emphasis>.  Use <option>-fno-mono-pat-binds</option> to recover the
6392 standard behaviour.
6393 </para>
6394 </sect2>
6395 </sect1>
6396
6397
6398
6399 <!-- Emacs stuff:
6400      ;;; Local Variables: ***
6401      ;;; mode: xml ***
6402      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
6403      ;;; End: ***
6404  -->
6405