Preliminary monad-comprehension patch (Trac #4370)
[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 can all be enabled or disabled by commandline flags
7 or language pragmas. By default GHC understands the most recent Haskell
8 version it supports, plus a handful of extensions.
9 </para>
10
11 <para>
12 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
13 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
14 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
15 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
16 on performance because of the implementation costs of Haskell's
17 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
18 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
19 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
20 </para>
21
22 <para>
23 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
24 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
25 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
26 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
27 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
28 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
29 </para>
30
31 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
32   <sect1 id="options-language">
33     <title>Language options</title>
34
35     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
36     </indexterm>
37     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
38     </indexterm>
39     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
40     </indexterm>
41
42     <para>The language option flags control what variation of the language are
43     permitted.</para>
44
45     <para>Language options can be controlled in two ways:
46     <itemizedlist>
47       <listitem><para>Every language option can switched on by a command-line flag "<option>-X...</option>" 
48         (e.g. <option>-XTemplateHaskell</option>), and switched off by the flag "<option>-XNo...</option>"; 
49         (e.g. <option>-XNoTemplateHaskell</option>).</para></listitem>
50       <listitem><para>
51           Language options recognised by Cabal can also be enabled using the <literal>LANGUAGE</literal> pragma,
52           thus <literal>{-# LANGUAGE TemplateHaskell #-}</literal> (see <xref linkend="language-pragma"/>). </para>
53           </listitem>
54       </itemizedlist></para>
55
56     <para>The flag <option>-fglasgow-exts</option>
57           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
58           is equivalent to enabling the following extensions: 
59           &what_glasgow_exts_does;
60             Enabling these options is the <emphasis>only</emphasis> 
61             effect of <option>-fglasgow-exts</option>.
62           We are trying to move away from this portmanteau flag, 
63           and towards enabling features individually.</para>
64
65   </sect1>
66
67 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
68 <sect1 id="primitives">
69   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
70
71 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations;
72 "primitive" in the sense that they cannot be defined in Haskell itself.
73 While you really can use this stuff to write fast code,
74   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
75   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
76   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
77   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
78   about it.</para>
79
80 <para>All these primitive data types and operations are exported by the 
81 library <literal>GHC.Prim</literal>, for which there is 
82 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html">detailed online documentation</ulink>.
83 (This documentation is generated from the file <filename>compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.)
84 </para>
85 <para>
86 If you want to mention any of the primitive data types or operations in your
87 program, you must first import <literal>GHC.Prim</literal> to bring them
88 into scope.  Many of them have names ending in "&num;", and to mention such
89 names you need the <option>-XMagicHash</option> extension (<xref linkend="magic-hash"/>).
90 </para>
91
92 <para>The primops make extensive use of <link linkend="glasgow-unboxed">unboxed types</link> 
93 and <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link>, which
94 we briefly summarise here. </para>
95   
96 <sect2 id="glasgow-unboxed">
97 <title>Unboxed types
98 </title>
99
100 <para>
101 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
102 </para>
103
104 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
105 that values of that type are represented by a pointer to a heap
106 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
107 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
108 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
109 allocation are involved.
110 </para>
111
112 <para>
113 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
114 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
115 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
116 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
117 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
118 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
119 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
120 know and love&mdash;usually one instruction.
121 </para>
122
123 <para>
124 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
125 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
126 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
127 bottom.  We use the convention (but it is only a convention) 
128 that primitive types, values, and
129 operations have a <literal>&num;</literal> suffix (see <xref linkend="magic-hash"/>).
130 For some primitive types we have special syntax for literals, also
131 described in the <link linkend="magic-hash">same section</link>.
132 </para>
133
134 <para>
135 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
136 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
137 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
138 a primitive value might be represented by a pointer to a
139 heap-allocated object.  Examples include
140 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
141 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
142 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
143 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
144 represents a primitive value, then it really does point to that value:
145 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
146 other end of the pointer than the primitive value.
147 A numerically-intensive program using unboxed types can
148 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
149 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
150 </para>
151
152 <para>
153 There are some restrictions on the use of primitive types:
154 <itemizedlist>
155 <listitem><para>The main restriction
156 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
157 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
158 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
159 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
160 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
161 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
162 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
163 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
164 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
165 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
166 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
167 </para>
168 </listitem>
169 <listitem><para> You cannot define a newtype whose representation type
170 (the argument type of the data constructor) is an unboxed type.  Thus,
171 this is illegal:
172 <programlisting>
173   newtype A = MkA Int#
174 </programlisting>
175 </para></listitem>
176 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
177 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
178 </para></listitem>
179 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
180 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
181 </para></listitem>
182 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
183 non-top-level) pattern binding, but you must make any such pattern-match
184 strict.  For example, rather than:
185 <programlisting>
186   data Foo = Foo Int Int#
187
188   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
189 </programlisting>
190 you must write:
191 <programlisting>
192   data Foo = Foo Int Int#
193
194   f x = let !(Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
195 </programlisting>
196 since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>.
197 </para>
198 </listitem>
199 </itemizedlist>
200 </para>
201
202 </sect2>
203
204 <sect2 id="unboxed-tuples">
205 <title>Unboxed Tuples
206 </title>
207
208 <para>
209 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
210 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
211 unboxed tuple looks like this:
212 </para>
213
214 <para>
215
216 <programlisting>
217 (# e_1, ..., e_n #)
218 </programlisting>
219
220 </para>
221
222 <para>
223 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
224 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
225 the same.
226 </para>
227
228 <para>
229 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
230 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
231 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
232 components are put directly into registers or on the stack; the
233 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
234 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
235 tuples.
236 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
237 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
238 </para>
239
240 <para>
241 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
242 <itemizedlist>
243 <listitem>
244
245 <para>
246 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
247 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
248 structures or passed to polymorphic functions.
249
250 </para>
251 </listitem>
252 <listitem>
253
254 <para>
255 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
256 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
257
258
259 <programlisting>
260   data Foo = Foo (# Int, Int #)
261
262   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
263   f x = x
264
265   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
266   g (# a,b #) = a
267
268   h x = let y = (# x,x #) in ...
269 </programlisting>
270 </para>
271 </listitem>
272 </itemizedlist>
273 </para>
274 <para>
275 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
276 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
277 <programlisting>
278   f x y = (# x+1, y-1 #)
279   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
280 </programlisting>
281 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
282 <programlisting>
283   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
284 </programlisting>
285 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
286 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
287 above example desugars like this:
288 <programlisting>
289   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
290             p = fst t
291             q = snd t
292         in ..body..
293 </programlisting>
294 Indeed, the bindings can even be recursive.
295 </para>
296
297 </sect2>
298 </sect1>
299
300
301 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
302
303 <sect1 id="syntax-extns">
304 <title>Syntactic extensions</title>
305  
306     <sect2 id="unicode-syntax">
307       <title>Unicode syntax</title>
308       <para>The language
309       extension <option>-XUnicodeSyntax</option><indexterm><primary><option>-XUnicodeSyntax</option></primary></indexterm>
310       enables Unicode characters to be used to stand for certain ASCII
311       character sequences.  The following alternatives are provided:</para>
312
313       <informaltable>
314         <tgroup cols="2" align="left" colsep="1" rowsep="1">
315           <thead>
316             <row>
317               <entry>ASCII</entry>
318               <entry>Unicode alternative</entry>
319               <entry>Code point</entry>
320               <entry>Name</entry>
321             </row>
322           </thead>
323
324 <!--
325                to find the DocBook entities for these characters, find
326                the Unicode code point (e.g. 0x2237), and grep for it in
327                /usr/share/sgml/docbook/xml-dtd-*/ent/* (or equivalent on
328                your system.  Some of these Unicode code points don't have
329                equivalent DocBook entities.
330             -->
331
332           <tbody>
333             <row>
334               <entry><literal>::</literal></entry>
335               <entry>::</entry> <!-- no special char, apparently -->
336               <entry>0x2237</entry>
337               <entry>PROPORTION</entry>
338             </row>
339           </tbody>
340           <tbody>
341             <row>
342               <entry><literal>=&gt;</literal></entry>
343               <entry>&rArr;</entry>
344               <entry>0x21D2</entry>
345               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW</entry>
346             </row>
347           </tbody>
348           <tbody>
349             <row>
350               <entry><literal>forall</literal></entry>
351               <entry>&forall;</entry>
352               <entry>0x2200</entry>
353               <entry>FOR ALL</entry>
354             </row>
355           </tbody>
356           <tbody>
357             <row>
358               <entry><literal>-&gt;</literal></entry>
359               <entry>&rarr;</entry>
360               <entry>0x2192</entry>
361               <entry>RIGHTWARDS ARROW</entry>
362             </row>
363           </tbody>
364           <tbody>
365             <row>
366               <entry><literal>&lt;-</literal></entry>
367               <entry>&larr;</entry>
368               <entry>0x2190</entry>
369               <entry>LEFTWARDS ARROW</entry>
370             </row>
371           </tbody>
372
373           <tbody>
374             <row>
375               <entry>-&lt;</entry>
376               <entry>&larrtl;</entry>
377               <entry>0x2919</entry>
378               <entry>LEFTWARDS ARROW-TAIL</entry>
379             </row>
380           </tbody>
381
382           <tbody>
383             <row>
384               <entry>&gt;-</entry>
385               <entry>&rarrtl;</entry>
386               <entry>0x291A</entry>
387               <entry>RIGHTWARDS ARROW-TAIL</entry>
388             </row>
389           </tbody>
390
391           <tbody>
392             <row>
393               <entry>-&lt;&lt;</entry>
394               <entry></entry>
395               <entry>0x291B</entry>
396               <entry>LEFTWARDS DOUBLE ARROW-TAIL</entry>
397             </row>
398           </tbody>
399
400           <tbody>
401             <row>
402               <entry>&gt;&gt;-</entry>
403               <entry></entry>
404               <entry>0x291C</entry>
405               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW-TAIL</entry>
406             </row>
407           </tbody>
408
409           <tbody>
410             <row>
411               <entry>*</entry>
412               <entry>&starf;</entry>
413               <entry>0x2605</entry>
414               <entry>BLACK STAR</entry>
415             </row>
416           </tbody>
417
418         </tgroup>
419       </informaltable>
420     </sect2>
421
422     <sect2 id="magic-hash">
423       <title>The magic hash</title>
424       <para>The language extension <option>-XMagicHash</option> allows "&num;" as a
425         postfix modifier to identifiers.  Thus, "x&num;" is a valid variable, and "T&num;" is
426         a valid type constructor or data constructor.</para>
427
428       <para>The hash sign does not change sematics at all.  We tend to use variable
429         names ending in "&num;" for unboxed values or types (e.g. <literal>Int&num;</literal>), 
430         but there is no requirement to do so; they are just plain ordinary variables.
431         Nor does the <option>-XMagicHash</option> extension bring anything into scope.
432         For example, to bring <literal>Int&num;</literal> into scope you must 
433         import <literal>GHC.Prim</literal> (see <xref linkend="primitives"/>); 
434         the <option>-XMagicHash</option> extension
435         then allows you to <emphasis>refer</emphasis> to the <literal>Int&num;</literal>
436         that is now in scope.</para>
437       <para> The <option>-XMagicHash</option> also enables some new forms of literals (see <xref linkend="glasgow-unboxed"/>):
438         <itemizedlist> 
439           <listitem><para> <literal>'x'&num;</literal> has type <literal>Char&num;</literal></para> </listitem>
440           <listitem><para> <literal>&quot;foo&quot;&num;</literal> has type <literal>Addr&num;</literal></para> </listitem>
441           <listitem><para> <literal>3&num;</literal> has type <literal>Int&num;</literal>. In general,
442           any Haskell integer lexeme followed by a <literal>&num;</literal> is an <literal>Int&num;</literal> literal, e.g.
443             <literal>-0x3A&num;</literal> as well as <literal>32&num;</literal></para>.</listitem>
444           <listitem><para> <literal>3&num;&num;</literal> has type <literal>Word&num;</literal>. In general,
445           any non-negative Haskell integer lexeme followed by <literal>&num;&num;</literal>
446               is a <literal>Word&num;</literal>. </para> </listitem>
447           <listitem><para> <literal>3.2&num;</literal> has type <literal>Float&num;</literal>.</para> </listitem>
448           <listitem><para> <literal>3.2&num;&num;</literal> has type <literal>Double&num;</literal></para> </listitem>
449           </itemizedlist>
450       </para>
451    </sect2>
452
453     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
454
455
456     <sect2 id="hierarchical-modules">
457       <title>Hierarchical Modules</title>
458
459       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
460       names: a module name is allowed to contain a dot
461       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
462       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
463       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
464       more flexible hierarchy of modules.</para>
465
466       <para>This extension has very little impact on the language
467       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
468       qualified, so you can just think of the fully qualified module
469       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
470       means that the full module name must be given after the
471       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
472       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
473       begin</para>
474
475 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
476
477
478       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
479       keyword to save some typing when using qualified names with
480       hierarchical modules.  For example:</para>
481
482 <programlisting>
483 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
484 </programlisting>
485
486       <para>For details on how GHC searches for source and interface
487       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
488       linkend="search-path"/>.</para>
489
490       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
491       hierarchically; see the accompanying <ulink
492       url="../libraries/index.html">library
493       documentation</ulink>.  More libraries to install are available
494       from <ulink
495       url="http://hackage.haskell.org/packages/hackage.html">HackageDB</ulink>.</para>
496     </sect2>
497
498     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
499
500 <sect2 id="pattern-guards">
501 <title>Pattern guards</title>
502
503 <para>
504 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
505 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.)
506 </para>
507
508 <para>
509 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
510 lookup operation:
511
512 <programlisting>
513 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
514 </programlisting>
515
516 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
517 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
518 </para>
519
520 <programlisting>
521 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
522 | otherwise  = var1 + var2
523 where
524   m1 = lookup env var1
525   m2 = lookup env var2
526   ok1 = maybeToBool m1
527   ok2 = maybeToBool m2
528   val1 = expectJust m1
529   val2 = expectJust m2
530 </programlisting>
531
532 <para>
533 The auxiliary functions are 
534 </para>
535
536 <programlisting>
537 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
538 maybeToBool (Just x) = True
539 maybeToBool Nothing  = False
540
541 expectJust :: Maybe a -&gt; a
542 expectJust (Just x) = x
543 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
544 </programlisting>
545
546 <para>
547 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
548 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
549 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
550 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
551 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
552 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
553 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
554 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
555 </para>
556
557 <para>
558 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
559 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
560 to write clunky would be to use case expressions:
561 </para>
562
563 <programlisting>
564 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
565   Nothing -&gt; fail
566   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
567     Nothing -&gt; fail
568     Just val2 -&gt; val1 + val2
569 where
570   fail = var1 + var2
571 </programlisting>
572
573 <para>
574 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
575 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
576 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
577 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
578 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
579 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
580 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
581 tends to become more and more indented. 
582 </para>
583
584 <para>
585 Here is how I would write clunky:
586 </para>
587
588 <programlisting>
589 clunky env var1 var2
590   | Just val1 &lt;- lookup env var1
591   , Just val2 &lt;- lookup env var2
592   = val1 + val2
593 ...other equations for clunky...
594 </programlisting>
595
596 <para>
597 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
598 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
599 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
600 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
601 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
602 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
603 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
604 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
605 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
606 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
607 </para>
608
609 <para>
610 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
611 with among the pattern guards.  For example:
612 </para>
613
614 <programlisting>
615 f x | [y] &lt;- x
616     , y > 3
617     , Just z &lt;- h y
618     = ...
619 </programlisting>
620
621 <para>
622 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
623 qualifier list has just one element, a boolean expression.
624 </para>
625 </sect2>
626
627     <!-- ===================== View patterns ===================  -->
628
629 <sect2 id="view-patterns">
630 <title>View patterns
631 </title>
632
633 <para>
634 View patterns are enabled by the flag <literal>-XViewPatterns</literal>.
635 More information and examples of view patterns can be found on the
636 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/ViewPatterns">Wiki
637 page</ulink>.
638 </para>
639
640 <para>
641 View patterns are somewhat like pattern guards that can be nested inside
642 of other patterns.  They are a convenient way of pattern-matching
643 against values of abstract types. For example, in a programming language
644 implementation, we might represent the syntax of the types of the
645 language as follows:
646
647 <programlisting>
648 type Typ
649  
650 data TypView = Unit
651              | Arrow Typ Typ
652
653 view :: Type -> TypeView
654
655 -- additional operations for constructing Typ's ...
656 </programlisting>
657
658 The representation of Typ is held abstract, permitting implementations
659 to use a fancy representation (e.g., hash-consing to manage sharing).
660
661 Without view patterns, using this signature a little inconvenient: 
662 <programlisting>
663 size :: Typ -> Integer
664 size t = case view t of
665   Unit -> 1
666   Arrow t1 t2 -> size t1 + size t2
667 </programlisting>
668
669 It is necessary to iterate the case, rather than using an equational
670 function definition. And the situation is even worse when the matching
671 against <literal>t</literal> is buried deep inside another pattern.
672 </para>
673
674 <para>
675 View patterns permit calling the view function inside the pattern and
676 matching against the result: 
677 <programlisting>
678 size (view -> Unit) = 1
679 size (view -> Arrow t1 t2) = size t1 + size t2
680 </programlisting>
681
682 That is, we add a new form of pattern, written
683 <replaceable>expression</replaceable> <literal>-></literal>
684 <replaceable>pattern</replaceable> that means "apply the expression to
685 whatever we're trying to match against, and then match the result of
686 that application against the pattern". The expression can be any Haskell
687 expression of function type, and view patterns can be used wherever
688 patterns are used.
689 </para>
690
691 <para>
692 The semantics of a pattern <literal>(</literal>
693 <replaceable>exp</replaceable> <literal>-></literal>
694 <replaceable>pat</replaceable> <literal>)</literal> are as follows:
695
696 <itemizedlist>
697
698 <listitem> Scoping:
699
700 <para>The variables bound by the view pattern are the variables bound by
701 <replaceable>pat</replaceable>.
702 </para>
703
704 <para>
705 Any variables in <replaceable>exp</replaceable> are bound occurrences,
706 but variables bound "to the left" in a pattern are in scope.  This
707 feature permits, for example, one argument to a function to be used in
708 the view of another argument.  For example, the function
709 <literal>clunky</literal> from <xref linkend="pattern-guards" /> can be
710 written using view patterns as follows:
711
712 <programlisting>
713 clunky env (lookup env -> Just val1) (lookup env -> Just val2) = val1 + val2
714 ...other equations for clunky...
715 </programlisting>
716 </para>
717
718 <para>
719 More precisely, the scoping rules are: 
720 <itemizedlist>
721 <listitem>
722 <para>
723 In a single pattern, variables bound by patterns to the left of a view
724 pattern expression are in scope. For example:
725 <programlisting>
726 example :: Maybe ((String -> Integer,Integer), String) -> Bool
727 example Just ((f,_), f -> 4) = True
728 </programlisting>
729
730 Additionally, in function definitions, variables bound by matching earlier curried
731 arguments may be used in view pattern expressions in later arguments:
732 <programlisting>
733 example :: (String -> Integer) -> String -> Bool
734 example f (f -> 4) = True
735 </programlisting>
736 That is, the scoping is the same as it would be if the curried arguments
737 were collected into a tuple.  
738 </para>
739 </listitem>
740
741 <listitem>
742 <para>
743 In mutually recursive bindings, such as <literal>let</literal>,
744 <literal>where</literal>, or the top level, view patterns in one
745 declaration may not mention variables bound by other declarations.  That
746 is, each declaration must be self-contained.  For example, the following
747 program is not allowed:
748 <programlisting>
749 let {(x -> y) = e1 ;
750      (y -> x) = e2 } in x
751 </programlisting>
752
753 (For some amplification on this design choice see 
754 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/ticket/4061">Trac #4061</ulink>.)
755
756 </para>
757 </listitem>
758 </itemizedlist>
759
760 </para>
761 </listitem>
762
763 <listitem><para> Typing: If <replaceable>exp</replaceable> has type
764 <replaceable>T1</replaceable> <literal>-></literal>
765 <replaceable>T2</replaceable> and <replaceable>pat</replaceable> matches
766 a <replaceable>T2</replaceable>, then the whole view pattern matches a
767 <replaceable>T1</replaceable>.
768 </para></listitem>
769
770 <listitem><para> Matching: To the equations in Section 3.17.3 of the
771 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/">Haskell 98
772 Report</ulink>, add the following:
773 <programlisting>
774 case v of { (e -> p) -> e1 ; _ -> e2 } 
775  = 
776 case (e v) of { p -> e1 ; _ -> e2 }
777 </programlisting>
778 That is, to match a variable <replaceable>v</replaceable> against a pattern
779 <literal>(</literal> <replaceable>exp</replaceable>
780 <literal>-></literal> <replaceable>pat</replaceable>
781 <literal>)</literal>, evaluate <literal>(</literal>
782 <replaceable>exp</replaceable> <replaceable> v</replaceable>
783 <literal>)</literal> and match the result against
784 <replaceable>pat</replaceable>.  
785 </para></listitem>
786
787 <listitem><para> Efficiency: When the same view function is applied in
788 multiple branches of a function definition or a case expression (e.g.,
789 in <literal>size</literal> above), GHC makes an attempt to collect these
790 applications into a single nested case expression, so that the view
791 function is only applied once.  Pattern compilation in GHC follows the
792 matrix algorithm described in Chapter 4 of <ulink
793 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/slpj-book-1987/">The
794 Implementation of Functional Programming Languages</ulink>.  When the
795 top rows of the first column of a matrix are all view patterns with the
796 "same" expression, these patterns are transformed into a single nested
797 case.  This includes, for example, adjacent view patterns that line up
798 in a tuple, as in
799 <programlisting>
800 f ((view -> A, p1), p2) = e1
801 f ((view -> B, p3), p4) = e2
802 </programlisting>
803 </para>
804
805 <para> The current notion of when two view pattern expressions are "the
806 same" is very restricted: it is not even full syntactic equality.
807 However, it does include variables, literals, applications, and tuples;
808 e.g., two instances of <literal>view ("hi", "there")</literal> will be
809 collected.  However, the current implementation does not compare up to
810 alpha-equivalence, so two instances of <literal>(x, view x ->
811 y)</literal> will not be coalesced.
812 </para>
813
814 </listitem>
815
816 </itemizedlist>
817 </para>
818
819 </sect2>
820
821     <!-- ===================== n+k patterns ===================  -->
822
823 <sect2 id="n-k-patterns">
824 <title>n+k patterns</title>
825 <indexterm><primary><option>-XNoNPlusKPatterns</option></primary></indexterm>
826
827 <para>
828 <literal>n+k</literal> pattern support is enabled by default. To disable
829 it, you can use the <option>-XNoNPlusKPatterns</option> flag.
830 </para>
831
832 </sect2>
833
834     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
835
836 <sect2 id="recursive-do-notation">
837 <title>The recursive do-notation
838 </title>
839
840 <para>
841 The do-notation of Haskell 98 does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
842 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
843 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
844 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
845 the do-notation.  The <option>-XDoRec</option> flag provides the necessary syntactic support.
846 </para>
847 <para>
848 Here is a simple (albeit contrived) example:
849 <programlisting>
850 {-# LANGUAGE DoRec #-}
851 justOnes = do { rec { xs &lt;- Just (1:xs) }
852               ; return (map negate xs) }
853 </programlisting>
854 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [-1,-1,-1,...</literal>.
855 </para>
856 <para>
857 The background and motivation for recursive do-notation is described in
858 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/">A recursive do for Haskell</ulink>,
859 by Levent Erkok, John Launchbury,
860 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
861 The theory behind monadic value recursion is explained further in Erkok's thesis
862 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/erkok-thesis.pdf">Value Recursion in Monadic Computations</ulink>.
863 However, note that GHC uses a different syntax than the one described in these documents.
864 </para>
865
866 <sect3>
867 <title>Details of recursive do-notation</title>
868 <para>
869 The recursive do-notation is enabled with the flag <option>-XDoRec</option> or, equivalently,
870 the LANGUAGE pragma <option>DoRec</option>.  It introduces the single new keyword "<literal>rec</literal>",
871 which wraps a mutually-recursive group of monadic statements,
872 producing a single statement.
873 </para>
874 <para>Similar to a <literal>let</literal>
875 statement, the variables bound in the <literal>rec</literal> are 
876 visible throughout the <literal>rec</literal> group, and below it.
877 For example, compare
878 <programlisting>
879 do { a &lt;- getChar              do { a &lt;- getChar                    
880    ; let { r1 = f a r2             ; rec { r1 &lt;- f a r2      
881          ; r2 = g r1 }                   ; r2 &lt;- g r1 }      
882    ; return (r1 ++ r2) }          ; return (r1 ++ r2) }
883 </programlisting>
884 In both cases, <literal>r1</literal> and <literal>r2</literal> are 
885 available both throughout the <literal>let</literal> or <literal>rec</literal> block, and
886 in the statements that follow it.  The difference is that <literal>let</literal> is non-monadic,
887 while <literal>rec</literal> is monadic.  (In Haskell <literal>let</literal> is 
888 really <literal>letrec</literal>, of course.)
889 </para>
890 <para>
891 The static and dynamic semantics of <literal>rec</literal> can be described as follows:  
892 <itemizedlist>
893 <listitem><para>
894 First,
895 similar to let-bindings, the <literal>rec</literal> is broken into 
896 minimal recursive groups, a process known as <emphasis>segmentation</emphasis>.
897 For example:
898 <programlisting>
899 rec { a &lt;- getChar      ===>     a &lt;- getChar
900     ; b &lt;- f a c                 rec { b &lt;- f a c
901     ; c &lt;- f b a                     ; c &lt;- f b a }
902     ; putChar c }                putChar c 
903 </programlisting>
904 The details of segmentation are described in Section 3.2 of
905 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/">A recursive do for Haskell</ulink>.
906 Segmentation improves polymorphism, reduces the size of the recursive "knot", and, as the paper 
907 describes, also has a semantic effect (unless the monad satisfies the right-shrinking law).
908 </para></listitem>
909 <listitem><para>
910 Then each resulting <literal>rec</literal> is desugared, using a call to <literal>Control.Monad.Fix.mfix</literal>.
911 For example, the <literal>rec</literal> group in the preceding example is desugared like this:
912 <programlisting>
913 rec { b &lt;- f a c     ===>    (b,c) &lt;- mfix (\~(b,c) -> do { b &lt;- f a c
914     ; c &lt;- f b a }                                        ; c &lt;- f b a
915                                                           ; return (b,c) })
916 </programlisting>
917 In general, the statment <literal>rec <replaceable>ss</replaceable></literal>
918 is desugared to the statement
919 <programlisting>
920 <replaceable>vs</replaceable> &lt;- mfix (\~<replaceable>vs</replaceable> -&gt; do { <replaceable>ss</replaceable>; return <replaceable>vs</replaceable> })
921 </programlisting>
922 where <replaceable>vs</replaceable> is a tuple of the variables bound by <replaceable>ss</replaceable>.
923 </para><para>
924 The original <literal>rec</literal> typechecks exactly 
925 when the above desugared version would do so.  For example, this means that 
926 the variables <replaceable>vs</replaceable> are all monomorphic in the statements
927 following the <literal>rec</literal>, because they are bound by a lambda.
928 </para>
929 <para>
930 The <literal>mfix</literal> function is defined in the <literal>MonadFix</literal> 
931 class, in <literal>Control.Monad.Fix</literal>, thus:
932 <programlisting>
933 class Monad m => MonadFix m where
934    mfix :: (a -> m a) -> m a
935 </programlisting>
936 </para>
937 </listitem>
938 </itemizedlist>
939 </para>
940 <para>
941 Here are some other important points in using the recursive-do notation:
942 <itemizedlist>
943 <listitem><para>
944 It is enabled with the flag <literal>-XDoRec</literal>, which is in turn implied by
945 <literal>-fglasgow-exts</literal>.
946 </para></listitem>
947
948 <listitem><para>
949 If recursive bindings are required for a monad,
950 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
951 </para></listitem>
952
953 <listitem><para>
954 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
955 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
956 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
957 </para></listitem>
958
959 <listitem><para>
960 Like <literal>let</literal> and <literal>where</literal> bindings,
961 name shadowing is not allowed within a <literal>rec</literal>; 
962 that is, all the names bound in a single <literal>rec</literal> must
963 be distinct (Section 3.3 of the paper).
964 </para></listitem>
965 <listitem><para>
966 It supports rebindable syntax (see <xref linkend="rebindable-syntax"/>).
967 </para></listitem>
968 </itemizedlist>
969 </para>
970 </sect3>
971
972 <sect3 id="mdo-notation"> <title> Mdo-notation (deprecated) </title>
973
974 <para> GHC used to support the flag <option>-XRecursiveDo</option>,
975 which enabled the keyword <literal>mdo</literal>, precisely as described in
976 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/">A recursive do for Haskell</ulink>,
977 but this is now deprecated.  Instead of <literal>mdo { Q; e }</literal>, write
978 <literal>do { rec Q; e }</literal>.
979 </para>
980 <para>
981 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
982 of the existing documents) used the name
983 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
984 This name is not supported by GHC.
985 </para>
986 </sect3>
987
988 </sect2>
989
990
991    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
992
993   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
994     <title>Parallel List Comprehensions</title>
995     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
996     </indexterm>
997     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
998     </indexterm>
999
1000     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
1001     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
1002     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
1003     extend this to include the zipWith family.</para>
1004
1005     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
1006     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
1007     example, the following zips together two lists:</para>
1008
1009 <programlisting>
1010    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
1011 </programlisting>
1012
1013     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
1014     zip, in that the resulting list will have the same length as the
1015     shortest branch.</para>
1016
1017     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
1018     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
1019
1020     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
1021
1022 <programlisting>
1023    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
1024        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
1025        ... 
1026    ] 
1027 </programlisting>
1028
1029     <para>This will be translated to: </para>
1030
1031 <programlisting>
1032    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
1033                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
1034                                          ... 
1035    ] 
1036 </programlisting>
1037
1038     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
1039     branches.</para>
1040
1041   </sect2>
1042   
1043   <!-- ===================== TRANSFORM LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
1044
1045   <sect2 id="generalised-list-comprehensions">
1046     <title>Generalised (SQL-Like) List Comprehensions</title>
1047     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>generalised</secondary>
1048     </indexterm>
1049     <indexterm><primary>extended list comprehensions</primary>
1050     </indexterm>
1051     <indexterm><primary>group</primary></indexterm>
1052     <indexterm><primary>sql</primary></indexterm>
1053
1054
1055     <para>Generalised list comprehensions are a further enhancement to the
1056     list comprehension syntactic sugar to allow operations such as sorting
1057     and grouping which are familiar from SQL.   They are fully described in the
1058         paper <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/list-comp">
1059           Comprehensive comprehensions: comprehensions with "order by" and "group by"</ulink>,
1060     except that the syntax we use differs slightly from the paper.</para>
1061 <para>The extension is enabled with the flag <option>-XTransformListComp</option>.</para>
1062 <para>Here is an example: 
1063 <programlisting>
1064 employees = [ ("Simon", "MS", 80)
1065 , ("Erik", "MS", 100)
1066 , ("Phil", "Ed", 40)
1067 , ("Gordon", "Ed", 45)
1068 , ("Paul", "Yale", 60)]
1069
1070 output = [ (the dept, sum salary)
1071 | (name, dept, salary) &lt;- employees
1072 , then group by dept
1073 , then sortWith by (sum salary)
1074 , then take 5 ]
1075 </programlisting>
1076 In this example, the list <literal>output</literal> would take on 
1077     the value:
1078     
1079 <programlisting>
1080 [("Yale", 60), ("Ed", 85), ("MS", 180)]
1081 </programlisting>
1082 </para>
1083 <para>There are three new keywords: <literal>group</literal>, <literal>by</literal>, and <literal>using</literal>.
1084 (The function <literal>sortWith</literal> is not a keyword; it is an ordinary
1085 function that is exported by <literal>GHC.Exts</literal>.)</para>
1086
1087 <para>There are five new forms of comprehension qualifier,
1088 all introduced by the (existing) keyword <literal>then</literal>:
1089     <itemizedlist>
1090     <listitem>
1091     
1092 <programlisting>
1093 then f
1094 </programlisting>
1095
1096     This statement requires that <literal>f</literal> have the type <literal>
1097     forall a. [a] -> [a]</literal>. You can see an example of its use in the
1098     motivating example, as this form is used to apply <literal>take 5</literal>.
1099     
1100     </listitem>
1101     
1102     
1103     <listitem>
1104 <para>
1105 <programlisting>
1106 then f by e
1107 </programlisting>
1108
1109     This form is similar to the previous one, but allows you to create a function
1110     which will be passed as the first argument to f. As a consequence f must have 
1111     the type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [a]</literal>. As you can see
1112     from the type, this function lets f &quot;project out&quot; some information 
1113     from the elements of the list it is transforming.</para>
1114
1115     <para>An example is shown in the opening example, where <literal>sortWith</literal> 
1116     is supplied with a function that lets it find out the <literal>sum salary</literal> 
1117     for any item in the list comprehension it transforms.</para>
1118
1119     </listitem>
1120
1121
1122     <listitem>
1123
1124 <programlisting>
1125 then group by e using f
1126 </programlisting>
1127
1128     <para>This is the most general of the grouping-type statements. In this form,
1129     f is required to have type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [[a]]</literal>.
1130     As with the <literal>then f by e</literal> case above, the first argument
1131     is a function supplied to f by the compiler which lets it compute e on every
1132     element of the list being transformed. However, unlike the non-grouping case,
1133     f additionally partitions the list into a number of sublists: this means that
1134     at every point after this statement, binders occurring before it in the comprehension
1135     refer to <emphasis>lists</emphasis> of possible values, not single values. To help understand
1136     this, let's look at an example:</para>
1137     
1138 <programlisting>
1139 -- This works similarly to groupWith in GHC.Exts, but doesn't sort its input first
1140 groupRuns :: Eq b => (a -> b) -> [a] -> [[a]]
1141 groupRuns f = groupBy (\x y -> f x == f y)
1142
1143 output = [ (the x, y)
1144 | x &lt;- ([1..3] ++ [1..2])
1145 , y &lt;- [4..6]
1146 , then group by x using groupRuns ]
1147 </programlisting>
1148
1149     <para>This results in the variable <literal>output</literal> taking on the value below:</para>
1150
1151 <programlisting>
1152 [(1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6]), (3, [4, 5, 6]), (1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6])]
1153 </programlisting>
1154
1155     <para>Note that we have used the <literal>the</literal> function to change the type 
1156     of x from a list to its original numeric type. The variable y, in contrast, is left 
1157     unchanged from the list form introduced by the grouping.</para>
1158
1159     </listitem>
1160
1161     <listitem>
1162
1163 <programlisting>
1164 then group by e
1165 </programlisting>
1166
1167     <para>This form of grouping is essentially the same as the one described above. However,
1168     since no function to use for the grouping has been supplied it will fall back on the
1169     <literal>groupWith</literal> function defined in 
1170     <ulink url="&libraryBaseLocation;/GHC-Exts.html"><literal>GHC.Exts</literal></ulink>. This
1171     is the form of the group statement that we made use of in the opening example.</para>
1172
1173     </listitem>
1174     
1175     
1176     <listitem>
1177
1178 <programlisting>
1179 then group using f
1180 </programlisting>
1181
1182     <para>With this form of the group statement, f is required to simply have the type
1183     <literal>forall a. [a] -> [[a]]</literal>, which will be used to group up the
1184     comprehension so far directly. An example of this form is as follows:</para>
1185     
1186 <programlisting>
1187 output = [ x
1188 | y &lt;- [1..5]
1189 , x &lt;- "hello"
1190 , then group using inits]
1191 </programlisting>
1192
1193     <para>This will yield a list containing every prefix of the word "hello" written out 5 times:</para>
1194
1195 <programlisting>
1196 ["","h","he","hel","hell","hello","helloh","hellohe","hellohel","hellohell","hellohello","hellohelloh",...]
1197 </programlisting>
1198
1199     </listitem>
1200 </itemizedlist>
1201 </para>
1202   </sect2>
1203
1204    <!-- ===================== MONAD COMPREHENSIONS ===================== -->
1205
1206 <sect2 id="monad-comprehensions">
1207     <title>Monad comprehensions</title>
1208     <indexterm><primary>monad comprehensions</primary></indexterm>
1209
1210     <para>
1211         Monad comprehesions generalise the list comprehension notation to work
1212         for any monad.
1213     </para>
1214
1215     <para>Monad comprehensions support:</para>
1216
1217     <itemizedlist>
1218         <listitem>
1219             <para>
1220                 Bindings:
1221             </para>
1222
1223 <programlisting>
1224 [ x + y | x &lt;- Just 1, y &lt;- Just 2 ]
1225 </programlisting>
1226
1227             <para>
1228                 Bindings are translated with the <literal>(&gt;&gt;=)</literal> and
1229                 <literal>return</literal> functions to the usual do-notation:
1230             </para>
1231
1232 <programlisting>
1233 do x &lt;- Just 1
1234    y &lt;- Just 2
1235    return (x+y)
1236 </programlisting>
1237
1238         </listitem>
1239         <listitem>
1240             <para>
1241                 Guards:
1242             </para>
1243
1244 <programlisting>
1245 [ x | x &lt;- [1..10], x &lt;= 5 ]
1246 </programlisting>
1247
1248             <para>
1249                 Guards are translated with the <literal>guard</literal> function,
1250                 which requires a <literal>MonadPlus</literal> instance:
1251             </para>
1252
1253 <programlisting>
1254 do x &lt;- [1..10]
1255    guard (x &lt;= 5)
1256    return x
1257 </programlisting>
1258
1259         </listitem>
1260         <listitem>
1261             <para>
1262                 Transform statements (as with <literal>-XTransformListComp</literal>):
1263             </para>
1264
1265 <programlisting>
1266 [ x+y | x &lt;- [1..10], y &lt;- [1..x], then take 2 ]
1267 </programlisting>
1268
1269             <para>
1270                 This translates to:
1271             </para>
1272
1273 <programlisting>
1274 do (x,y) &lt;- take 2 (do x &lt;- [1..10]
1275                        y &lt;- [1..x]
1276                        return (x,y))
1277    return (x+y)
1278 </programlisting>
1279
1280         </listitem>
1281         <listitem>
1282             <para>
1283                 Group statements (as with <literal>-XTransformListComp</literal>):
1284             </para>
1285
1286 <programlisting>
1287 [ x | x &lt;- [1,1,2,2,3], then group by x ]
1288 [ x | x &lt;- [1,1,2,2,3], then group by x using GHC.Exts.groupWith ]
1289 [ x | x &lt;- [1,1,2,2,3], then group using myGroup ]
1290 </programlisting>
1291
1292             <para>
1293                 The basic <literal>then group by e</literal> statement is
1294                 translated using the <literal>mgroupWith</literal> function, which
1295                 requires a <literal>MonadGroup</literal> instance, defined in
1296                 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Monad-Group.html"><literal>Control.Monad.Group</literal></ulink>:
1297             </para>
1298
1299 <programlisting>
1300 do x &lt;- mgroupWith (do x &lt;- [1,1,2,2,3]
1301                        return x)
1302    return x
1303 </programlisting>
1304
1305             <para>
1306                 Note that the type of <literal>x</literal> is changed by the
1307                 grouping statement.
1308             </para>
1309
1310             <para>
1311                 The grouping function can also be defined with the
1312                 <literal>using</literal> keyword.
1313             </para>
1314
1315         </listitem>
1316         <listitem>
1317             <para>
1318                 Parallel statements (as with <literal>-XParallelListComp</literal>):
1319             </para>
1320
1321 <programlisting>
1322 [ (x+y) | x &lt;- [1..10]
1323         | y &lt;- [11..20]
1324         ]
1325 </programlisting>
1326
1327             <para>
1328                 Parallel statements are translated using the
1329                 <literal>mzip</literal> function, which requires a
1330                 <literal>MonadZip</literal> instance defined in
1331                 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Monad-Zip.html"><literal>Control.Monad.Zip</literal></ulink>:
1332             </para>
1333
1334 <programlisting>
1335 do (x,y) &lt;- mzip (do x &lt;- [1..10]
1336                      return x)
1337                  (do y &lt;- [11..20]
1338                      return y)
1339    return (x+y)
1340 </programlisting>
1341
1342         </listitem>
1343     </itemizedlist>
1344
1345     <para>
1346         All these features are enabled by default if the
1347         <literal>MonadComprehensions</literal> extension is enabled. The types
1348         and more detailed examples on how to use comprehensions are explained
1349         in the previous chapters <xref
1350             linkend="generalised-list-comprehensions"/> and <xref
1351             linkend="parallel-list-comprehensions"/>. In general you just have
1352         to replace the type <literal>[a]</literal> with the type
1353         <literal>Monad m => m a</literal> for monad comprehensions.
1354     </para>
1355
1356     <para>
1357         Note: Even though most of these examples are using the list monad,
1358         monad comprehensions work for any monad.
1359         The <literal>base</literal> package offers all necessary instances for
1360         lists, which make <literal>MonadComprehensions</literal> backward
1361         compatible to built-in, transform and parallel list comprehensions.
1362     </para>
1363
1364 </sect2>
1365
1366    <!-- ===================== REBINDABLE SYNTAX ===================  -->
1367
1368 <sect2 id="rebindable-syntax">
1369 <title>Rebindable syntax and the implicit Prelude import</title>
1370
1371  <para><indexterm><primary>-XNoImplicitPrelude
1372  option</primary></indexterm> GHC normally imports
1373  <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
1374  rather it didn't, then give it a
1375  <option>-XNoImplicitPrelude</option> option.  The idea is
1376  that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
1377  call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
1378  namespace is flat, and you must not conflict with any
1379  Prelude module.)</para>
1380
1381             <para>Suppose you are importing a Prelude of your own
1382               in order to define your own numeric class
1383             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
1384             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
1385             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
1386             So the <option>-XRebindableSyntax</option> 
1387               flag causes
1388             the following pieces of built-in syntax to refer to
1389             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
1390             versions:
1391             <itemizedlist>
1392               <listitem>
1393                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
1394                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
1395                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
1396 </para> </listitem>         
1397
1398       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
1399           except that the translation is 
1400               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
1401 </para> </listitem>         
1402
1403           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
1404               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
1405 </para> </listitem>         
1406
1407           <listitem><para>The subtraction operation, and the
1408           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
1409               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
1410               </para></listitem>
1411
1412               <listitem>
1413                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
1414                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
1415                 patterns, and expressions.
1416               </para></listitem>
1417
1418               <listitem>
1419                 <para>Conditionals (e.g. "<literal>if</literal> e1 <literal>then</literal> e2 <literal>else</literal> e3")
1420                 means "<literal>ifThenElse</literal> e1 e2 e3".  However <literal>case</literal> expressions are unaffected.
1421               </para></listitem>
1422
1423               <listitem>
1424           <para>"Do" notation is translated using whatever
1425               functions <literal>(>>=)</literal>,
1426               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
1427               are in scope (not the Prelude
1428               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
1429               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
1430
1431               <listitem>
1432                 <para>Arrow
1433                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
1434                 uses whatever <literal>arr</literal>,
1435                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
1436                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
1437                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
1438                 other constructs, the types of these functions must match the
1439                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
1440                 to use this, ask!
1441               </para></listitem>
1442             </itemizedlist>
1443 <option>-XRebindableSyntax</option> implies <option>-XNoImplicitPrelude</option>.
1444 </para>
1445 <para>
1446 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
1447 even if that is a little unexpected. For example, the 
1448 static semantics of the literal <literal>368</literal>
1449 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
1450 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
1451 <programlisting>
1452 fromInteger :: Integer -> Integer
1453 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
1454 fromInteger :: Num a => a -> Integer
1455 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
1456 </programlisting>
1457 </para>
1458                 
1459              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
1460              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
1461              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
1462              you should be all right.</para>
1463
1464 </sect2>
1465
1466 <sect2 id="postfix-operators">
1467 <title>Postfix operators</title>
1468
1469 <para>
1470   The <option>-XPostfixOperators</option> flag enables a small
1471 extension to the syntax of left operator sections, which allows you to
1472 define postfix operators.  The extension is this: the left section
1473 <programlisting>
1474   (e !)
1475 </programlisting>
1476 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
1477 <programlisting>
1478   ((!) e)
1479 </programlisting>
1480 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
1481 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
1482 <programlisting>
1483   (\y -> (!) e y)
1484 </programlisting>
1485 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
1486 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
1487 postfix.
1488 </para>
1489 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
1490 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
1491
1492 </sect2>
1493
1494 <sect2 id="tuple-sections">
1495 <title>Tuple sections</title>
1496
1497 <para>
1498   The <option>-XTupleSections</option> flag enables Python-style partially applied
1499   tuple constructors. For example, the following program
1500 <programlisting>
1501   (, True)
1502 </programlisting>
1503   is considered to be an alternative notation for the more unwieldy alternative
1504 <programlisting>
1505   \x -> (x, True)
1506 </programlisting>
1507 You can omit any combination of arguments to the tuple, as in the following
1508 <programlisting>
1509   (, "I", , , "Love", , 1337)
1510 </programlisting>
1511 which translates to
1512 <programlisting>
1513   \a b c d -> (a, "I", b, c, "Love", d, 1337)
1514 </programlisting>
1515 </para>
1516
1517 <para>
1518   If you have <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link> enabled, tuple sections
1519   will also be available for them, like so
1520 <programlisting>
1521   (# , True #)
1522 </programlisting>
1523 Because there is no unboxed unit tuple, the following expression
1524 <programlisting>
1525   (# #)
1526 </programlisting>
1527 continues to stand for the unboxed singleton tuple data constructor.
1528 </para>
1529
1530 </sect2>
1531
1532 <sect2 id="disambiguate-fields">
1533 <title>Record field disambiguation</title>
1534 <para>
1535 In record construction and record pattern matching
1536 it is entirely unambiguous which field is referred to, even if there are two different
1537 data types in scope with a common field name.  For example:
1538 <programlisting>
1539 module M where
1540   data S = MkS { x :: Int, y :: Bool }
1541
1542 module Foo where
1543   import M
1544
1545   data T = MkT { x :: Int }
1546   
1547   ok1 (MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1548   ok2 n = MkT { x = n+1 }     -- Unambiguous
1549
1550   bad1 k = k { x = 3 }  -- Ambiguous
1551   bad2 k = x k          -- Ambiguous
1552 </programlisting>
1553 Even though there are two <literal>x</literal>'s in scope,
1554 it is clear that the <literal>x</literal> in the pattern in the
1555 definition of <literal>ok1</literal> can only mean the field
1556 <literal>x</literal> from type <literal>S</literal>. Similarly for
1557 the function <literal>ok2</literal>.  However, in the record update
1558 in <literal>bad1</literal> and the record selection in <literal>bad2</literal>
1559 it is not clear which of the two types is intended.
1560 </para>
1561 <para>
1562 Haskell 98 regards all four as ambiguous, but with the
1563 <option>-XDisambiguateRecordFields</option> flag, GHC will accept
1564 the former two.  The rules are precisely the same as those for instance
1565 declarations in Haskell 98, where the method names on the left-hand side 
1566 of the method bindings in an instance declaration refer unambiguously
1567 to the method of that class (provided they are in scope at all), even
1568 if there are other variables in scope with the same name.
1569 This reduces the clutter of qualified names when you import two
1570 records from different modules that use the same field name.
1571 </para>
1572 <para>
1573 Some details:
1574 <itemizedlist>
1575 <listitem><para>
1576 Field disambiguation can be combined with punning (see <xref linkend="record-puns"/>). For exampe:
1577 <programlisting>
1578 module Foo where
1579   import M
1580   x=True
1581   ok3 (MkS { x }) = x+1   -- Uses both disambiguation and punning
1582 </programlisting>
1583 </para></listitem>
1584
1585 <listitem><para>
1586 With <option>-XDisambiguateRecordFields</option> you can use <emphasis>unqualifed</emphasis>
1587 field names even if the correponding selector is only in scope <emphasis>qualified</emphasis>
1588 For example, assuming the same module <literal>M</literal> as in our earlier example, this is legal:
1589 <programlisting>
1590 module Foo where
1591   import qualified M    -- Note qualified
1592
1593   ok4 (M.MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1594 </programlisting>
1595 Since the constructore <literal>MkS</literal> is only in scope qualified, you must
1596 name it <literal>M.MkS</literal>, but the field <literal>x</literal> does not need
1597 to be qualified even though <literal>M.x</literal> is in scope but <literal>x</literal>
1598 is not.  (In effect, it is qualified by the constructor.)
1599 </para></listitem>
1600 </itemizedlist>
1601 </para>
1602
1603 </sect2>
1604
1605     <!-- ===================== Record puns ===================  -->
1606
1607 <sect2 id="record-puns">
1608 <title>Record puns
1609 </title>
1610
1611 <para>
1612 Record puns are enabled by the flag <literal>-XNamedFieldPuns</literal>.
1613 </para>
1614
1615 <para>
1616 When using records, it is common to write a pattern that binds a
1617 variable with the same name as a record field, such as:
1618
1619 <programlisting>
1620 data C = C {a :: Int}
1621 f (C {a = a}) = a
1622 </programlisting>
1623 </para>
1624
1625 <para>
1626 Record punning permits the variable name to be elided, so one can simply
1627 write
1628
1629 <programlisting>
1630 f (C {a}) = a
1631 </programlisting>
1632
1633 to mean the same pattern as above.  That is, in a record pattern, the
1634 pattern <literal>a</literal> expands into the pattern <literal>a =
1635 a</literal> for the same name <literal>a</literal>.  
1636 </para>
1637
1638 <para>
1639 Note that:
1640 <itemizedlist>
1641 <listitem><para>
1642 Record punning can also be used in an expression, writing, for example,
1643 <programlisting>
1644 let a = 1 in C {a}
1645 </programlisting>
1646 instead of 
1647 <programlisting>
1648 let a = 1 in C {a = a}
1649 </programlisting>
1650 The expansion is purely syntactic, so the expanded right-hand side
1651 expression refers to the nearest enclosing variable that is spelled the
1652 same as the field name.
1653 </para></listitem>
1654
1655 <listitem><para>
1656 Puns and other patterns can be mixed in the same record:
1657 <programlisting>
1658 data C = C {a :: Int, b :: Int}
1659 f (C {a, b = 4}) = a
1660 </programlisting>
1661 </para></listitem>
1662
1663 <listitem><para>
1664 Puns can be used wherever record patterns occur (e.g. in
1665 <literal>let</literal> bindings or at the top-level).  
1666 </para></listitem>
1667
1668 <listitem><para>
1669 A pun on a qualified field name is expanded by stripping off the module qualifier.
1670 For example:
1671 <programlisting>
1672 f (C {M.a}) = a
1673 </programlisting>
1674 means
1675 <programlisting>
1676 f (M.C {M.a = a}) = a
1677 </programlisting>
1678 (This is useful if the field selector <literal>a</literal> for constructor <literal>M.C</literal>
1679 is only in scope in qualified form.)
1680 </para></listitem>
1681 </itemizedlist>
1682 </para>
1683
1684
1685 </sect2>
1686
1687     <!-- ===================== Record wildcards ===================  -->
1688
1689 <sect2 id="record-wildcards">
1690 <title>Record wildcards
1691 </title>
1692
1693 <para>
1694 Record wildcards are enabled by the flag <literal>-XRecordWildCards</literal>.
1695 This flag implies <literal>-XDisambiguateRecordFields</literal>.
1696 </para>
1697
1698 <para>
1699 For records with many fields, it can be tiresome to write out each field
1700 individually in a record pattern, as in
1701 <programlisting>
1702 data C = C {a :: Int, b :: Int, c :: Int, d :: Int}
1703 f (C {a = 1, b = b, c = c, d = d}) = b + c + d
1704 </programlisting>
1705 </para>
1706
1707 <para>
1708 Record wildcard syntax permits a "<literal>..</literal>" in a record
1709 pattern, where each elided field <literal>f</literal> is replaced by the
1710 pattern <literal>f = f</literal>.  For example, the above pattern can be
1711 written as
1712 <programlisting>
1713 f (C {a = 1, ..}) = b + c + d
1714 </programlisting>
1715 </para>
1716
1717 <para>
1718 More details:
1719 <itemizedlist>
1720 <listitem><para>
1721 Wildcards can be mixed with other patterns, including puns
1722 (<xref linkend="record-puns"/>); for example, in a pattern <literal>C {a
1723 = 1, b, ..})</literal>.  Additionally, record wildcards can be used
1724 wherever record patterns occur, including in <literal>let</literal>
1725 bindings and at the top-level.  For example, the top-level binding
1726 <programlisting>
1727 C {a = 1, ..} = e
1728 </programlisting>
1729 defines <literal>b</literal>, <literal>c</literal>, and
1730 <literal>d</literal>.
1731 </para></listitem>
1732
1733 <listitem><para>
1734 Record wildcards can also be used in expressions, writing, for example,
1735 <programlisting>
1736 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {..}
1737 </programlisting>
1738 in place of
1739 <programlisting>
1740 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {a=a, b=b, c=c, d=d}
1741 </programlisting>
1742 The expansion is purely syntactic, so the record wildcard
1743 expression refers to the nearest enclosing variables that are spelled
1744 the same as the omitted field names.
1745 </para></listitem>
1746
1747 <listitem><para>
1748 The "<literal>..</literal>" expands to the missing 
1749 <emphasis>in-scope</emphasis> record fields, where "in scope"
1750 includes both unqualified and qualified-only.  
1751 Any fields that are not in scope are not filled in.  For example
1752 <programlisting>
1753 module M where
1754   data R = R { a,b,c :: Int }
1755 module X where
1756   import qualified M( R(a,b) )
1757   f a b = R { .. }
1758 </programlisting>
1759 The <literal>{..}</literal> expands to <literal>{M.a=a,M.b=b}</literal>,
1760 omitting <literal>c</literal> since it is not in scope at all.
1761 </para></listitem>
1762 </itemizedlist>
1763 </para>
1764
1765 </sect2>
1766
1767     <!-- ===================== Local fixity declarations ===================  -->
1768
1769 <sect2 id="local-fixity-declarations">
1770 <title>Local Fixity Declarations
1771 </title>
1772
1773 <para>A careful reading of the Haskell 98 Report reveals that fixity
1774 declarations (<literal>infix</literal>, <literal>infixl</literal>, and
1775 <literal>infixr</literal>) are permitted to appear inside local bindings
1776 such those introduced by <literal>let</literal> and
1777 <literal>where</literal>.  However, the Haskell Report does not specify
1778 the semantics of such bindings very precisely.
1779 </para>
1780
1781 <para>In GHC, a fixity declaration may accompany a local binding:
1782 <programlisting>
1783 let f = ...
1784     infixr 3 `f`
1785 in 
1786     ...
1787 </programlisting>
1788 and the fixity declaration applies wherever the binding is in scope.
1789 For example, in a <literal>let</literal>, it applies in the right-hand
1790 sides of other <literal>let</literal>-bindings and the body of the
1791 <literal>let</literal>C. Or, in recursive <literal>do</literal>
1792 expressions (<xref linkend="recursive-do-notation"/>), the local fixity
1793 declarations of a <literal>let</literal> statement scope over other
1794 statements in the group, just as the bound name does.
1795 </para>
1796
1797 <para>
1798 Moreover, a local fixity declaration *must* accompany a local binding of
1799 that name: it is not possible to revise the fixity of name bound
1800 elsewhere, as in
1801 <programlisting>
1802 let infixr 9 $ in ...
1803 </programlisting>
1804
1805 Because local fixity declarations are technically Haskell 98, no flag is
1806 necessary to enable them.
1807 </para>
1808 </sect2>
1809
1810 <sect2 id="package-imports">
1811   <title>Package-qualified imports</title>
1812
1813   <para>With the <option>-XPackageImports</option> flag, GHC allows
1814   import declarations to be qualified by the package name that the
1815     module is intended to be imported from.  For example:</para>
1816
1817 <programlisting>
1818 import "network" Network.Socket
1819 </programlisting>
1820   
1821   <para>would import the module <literal>Network.Socket</literal> from
1822     the package <literal>network</literal> (any version).  This may
1823     be used to disambiguate an import when the same module is
1824     available from multiple packages, or is present in both the
1825     current package being built and an external package.</para>
1826
1827   <para>Note: you probably don't need to use this feature, it was
1828     added mainly so that we can build backwards-compatible versions of
1829     packages when APIs change.  It can lead to fragile dependencies in
1830     the common case: modules occasionally move from one package to
1831     another, rendering any package-qualified imports broken.</para>
1832 </sect2>
1833
1834 <sect2 id="syntax-stolen">
1835 <title>Summary of stolen syntax</title>
1836
1837     <para>Turning on an option that enables special syntax
1838     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
1839     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
1840     become a reserved word.  This section lists the syntax that is
1841     "stolen" by language extensions.
1842      We use
1843     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
1844     (see the Haskell 98 Report).  
1845     We only list syntax changes here that might affect
1846     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
1847     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
1848     cases programs written to use the new syntax would not be
1849     compilable without the option enabled.</para>
1850
1851 <para>There are two classes of special
1852     syntax:
1853
1854     <itemizedlist>
1855       <listitem>
1856         <para>New reserved words and symbols: character sequences
1857         which are no longer available for use as identifiers in the
1858         program.</para>
1859       </listitem>
1860       <listitem>
1861         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
1862         a different meaning when this particular option is turned
1863         on.</para>
1864       </listitem>
1865     </itemizedlist>
1866     
1867 The following syntax is stolen:
1868
1869     <variablelist>
1870       <varlistentry>
1871         <term>
1872           <literal>forall</literal>
1873           <indexterm><primary><literal>forall</literal></primary></indexterm>
1874         </term>
1875         <listitem><para>
1876         Stolen (in types) by: <option>-XExplicitForAll</option>, and hence by
1877             <option>-XScopedTypeVariables</option>,
1878             <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
1879             <option>-XRank2Types</option>,
1880             <option>-XRankNTypes</option>,
1881             <option>-XPolymorphicComponents</option>,
1882             <option>-XExistentialQuantification</option>
1883           </para></listitem>
1884       </varlistentry>
1885
1886       <varlistentry>
1887         <term>
1888           <literal>mdo</literal>
1889           <indexterm><primary><literal>mdo</literal></primary></indexterm>
1890         </term>
1891         <listitem><para>
1892         Stolen by: <option>-XRecursiveDo</option>,
1893           </para></listitem>
1894       </varlistentry>
1895
1896       <varlistentry>
1897         <term>
1898           <literal>foreign</literal>
1899           <indexterm><primary><literal>foreign</literal></primary></indexterm>
1900         </term>
1901         <listitem><para>
1902         Stolen by: <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
1903           </para></listitem>
1904       </varlistentry>
1905
1906       <varlistentry>
1907         <term>
1908           <literal>rec</literal>,
1909           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
1910           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
1911           <literal>&gt;&gt;-</literal>, and <literal>(|</literal>,
1912           <literal>|)</literal> brackets
1913           <indexterm><primary><literal>proc</literal></primary></indexterm>
1914         </term>
1915         <listitem><para>
1916         Stolen by: <option>-XArrows</option>,
1917           </para></listitem>
1918       </varlistentry>
1919
1920       <varlistentry>
1921         <term>
1922           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
1923           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>
1924           <indexterm><primary>implicit parameters</primary></indexterm>
1925         </term>
1926         <listitem><para>
1927         Stolen by: <option>-XImplicitParams</option>,
1928           </para></listitem>
1929       </varlistentry>
1930
1931       <varlistentry>
1932         <term>
1933           <literal>[|</literal>,
1934           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
1935           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
1936           <literal>$(</literal>,
1937           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>
1938           <indexterm><primary>Template Haskell</primary></indexterm>
1939         </term>
1940         <listitem><para>
1941         Stolen by: <option>-XTemplateHaskell</option>,
1942           </para></listitem>
1943       </varlistentry>
1944
1945       <varlistentry>
1946         <term>
1947           <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>|</literal>
1948           <indexterm><primary>quasi-quotation</primary></indexterm>
1949         </term>
1950         <listitem><para>
1951         Stolen by: <option>-XQuasiQuotes</option>,
1952           </para></listitem>
1953       </varlistentry>
1954
1955       <varlistentry>
1956         <term>
1957               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
1958               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
1959               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1960               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1961               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1962               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
1963               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
1964         </term>
1965         <listitem><para>
1966         Stolen by: <option>-XMagicHash</option>,
1967           </para></listitem>
1968       </varlistentry>
1969     </variablelist>
1970 </para>
1971 </sect2>
1972 </sect1>
1973
1974
1975 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
1976 <sect1 id="data-type-extensions">
1977 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
1978
1979 <sect2 id="nullary-types">
1980 <title>Data types with no constructors</title>
1981
1982 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
1983 a data type with no constructors.  For example:</para>
1984
1985 <programlisting>
1986   data S      -- S :: *
1987   data T a    -- T :: * -> *
1988 </programlisting>
1989
1990 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
1991 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
1992 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
1993 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
1994
1995 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
1996 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
1997 </sect2>
1998
1999 <sect2 id="datatype-contexts">
2000 <title>Data type contexts</title>
2001
2002 <para>Haskell allows datatypes to be given contexts, e.g.</para>
2003
2004 <programlisting>
2005 data Eq a => Set a = NilSet | ConsSet a (Set a)
2006 </programlisting>
2007
2008 <para>give constructors with types:</para>
2009
2010 <programlisting>
2011 NilSet :: Set a
2012 ConsSet :: Eq a => a -> Set a -> Set a
2013 </programlisting>
2014
2015 <para>In GHC this feature is an extension called
2016 <literal>DatatypeContexts</literal>, and on by default.</para>
2017 </sect2>
2018
2019 <sect2 id="infix-tycons">
2020 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
2021
2022 <para>
2023 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
2024 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
2025 <itemizedlist>
2026 <listitem><para>
2027   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
2028   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
2029   </para></listitem>
2030 <listitem><para>
2031   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
2032   if you want further arguments.  E.g.
2033 <screen>
2034   data a :*: b = Foo a b
2035   type a :+: b = Either a b
2036   class a :=: b where ...
2037
2038   data (a :**: b) x = Baz a b x
2039   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
2040 </screen>
2041   </para></listitem>
2042 <listitem><para>
2043   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
2044   <screen>
2045         x :: Int :*: Bool
2046         f :: (a :=: b) => a -> b
2047   </screen>
2048   </para></listitem>
2049 <listitem><para>
2050   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
2051   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
2052   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
2053   parenthesised.  For example:
2054 <programlisting>
2055    type T (+) = Int + Int
2056    f :: T Either
2057    f = Left 3
2058  
2059    liftA2 :: Arrow (~>)
2060           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
2061    liftA2 = ...
2062 </programlisting>
2063   </para></listitem>
2064 <listitem><para>
2065   Back-quotes work
2066   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
2067   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
2068   </para></listitem>
2069 <listitem><para>
2070   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
2071   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
2072   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
2073 <screen>
2074   infixl 7 T, :*:
2075 </screen>
2076   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
2077   and similarly for <literal>:*:</literal>.
2078   <literal>Int `a` Bool</literal>.
2079   </para></listitem>
2080 <listitem><para>
2081   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
2082   </para></listitem>
2083
2084 </itemizedlist>
2085 </para>
2086 </sect2>
2087
2088 <sect2 id="type-synonyms">
2089 <title>Liberalised type synonyms</title>
2090
2091 <para>
2092 Type synonyms are like macros at the type level, but Haskell 98 imposes many rules
2093 on individual synonym declarations.
2094 With the <option>-XLiberalTypeSynonyms</option> extension,
2095 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
2096 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98. 
2097
2098 <itemizedlist>
2099 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
2100 in a type synonym, thus:
2101 <programlisting>
2102   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
2103
2104   f :: Discard a
2105   f x y = (x, show y)
2106
2107   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
2108   g f = f 3 True
2109 </programlisting>
2110 </para>
2111 </listitem>
2112
2113 <listitem><para>
2114 If you also use <option>-XUnboxedTuples</option>, 
2115 you can write an unboxed tuple in a type synonym:
2116 <programlisting>
2117   type Pr = (# Int, Int #)
2118
2119   h :: Int -> Pr
2120   h x = (# x, x #)
2121 </programlisting>
2122 </para></listitem>
2123
2124 <listitem><para>
2125 You can apply a type synonym to a forall type:
2126 <programlisting>
2127   type Foo a = a -> a -> Bool
2128  
2129   f :: Foo (forall b. b->b)
2130 </programlisting>
2131 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
2132 <programlisting>
2133   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
2134 </programlisting>
2135 </para></listitem>
2136
2137 <listitem><para>
2138 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
2139 <programlisting>
2140   type Generic i o = forall x. i x -> o x
2141   type Id x = x
2142   
2143   foo :: Generic Id []
2144 </programlisting>
2145 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
2146 <programlisting>
2147   foo :: forall x. x -> [x]
2148 </programlisting>
2149 </para></listitem>
2150
2151 </itemizedlist>
2152 </para>
2153
2154 <para>
2155 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
2156 could be changed.)
2157 </para>
2158 <para>
2159 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
2160 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
2161 <itemizedlist>
2162 <listitem><para>
2163 Type constructor applied to a type involving for-alls.
2164 </para></listitem>
2165 <listitem><para>
2166 Unboxed tuple on left of an arrow.
2167 </para></listitem>
2168 <listitem><para>
2169 Partially-applied type synonym.
2170 </para></listitem>
2171 </itemizedlist>
2172 So, for example,
2173 this will be rejected:
2174 <programlisting>
2175   type Pr = (# Int, Int #)
2176
2177   h :: Pr -> Int
2178   h x = ...
2179 </programlisting>
2180 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
2181 </para>
2182 </sect2>
2183
2184
2185 <sect2 id="existential-quantification">
2186 <title>Existentially quantified data constructors
2187 </title>
2188
2189 <para>
2190 The idea of using existential quantification in data type declarations
2191 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
2192 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
2193 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
2194 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
2195 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
2196 It's been in Lennart
2197 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
2198 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2199 </para>
2200
2201 <para>
2202
2203 <programlisting>
2204   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2205            | Nil
2206 </programlisting>
2207
2208 </para>
2209
2210 <para>
2211 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2212 </para>
2213
2214 <para>
2215
2216 <programlisting>
2217   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2218   Nil   :: Foo
2219 </programlisting>
2220
2221 </para>
2222
2223 <para>
2224 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2225 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2226 For example, the following expression is fine:
2227 </para>
2228
2229 <para>
2230
2231 <programlisting>
2232   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2233 </programlisting>
2234
2235 </para>
2236
2237 <para>
2238 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2239 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2240 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2241 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2242 </para>
2243
2244 <para>
2245 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2246 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2247 </para>
2248
2249 <para>
2250
2251 <programlisting>
2252   f (MkFoo val fn) = ???
2253 </programlisting>
2254
2255 </para>
2256
2257 <para>
2258 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2259 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2260 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2261 </para>
2262
2263 <para>
2264
2265 <programlisting>
2266   f :: Foo -> Bool
2267   f (MkFoo val fn) = fn val
2268 </programlisting>
2269
2270 </para>
2271
2272 <para>
2273 What this allows us to do is to package heterogeneous values
2274 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2275 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2276 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2277 </para>
2278
2279 <sect3 id="existential">
2280 <title>Why existential?
2281 </title>
2282
2283 <para>
2284 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2285 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2286 </para>
2287
2288 <para>
2289
2290 <programlisting>
2291   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2292 </programlisting>
2293
2294 </para>
2295
2296 <para>
2297 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2298 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2299 adding a new existential quantification construct.
2300 </para>
2301
2302 </sect3>
2303
2304 <sect3 id="existential-with-context">
2305 <title>Existentials and type classes</title>
2306
2307 <para>
2308 An easy extension is to allow
2309 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2310 </para>
2311
2312 <para>
2313
2314 <programlisting>
2315 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2316          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2317 </programlisting>
2318
2319 </para>
2320
2321 <para>
2322 The two constructors have the types you'd expect:
2323 </para>
2324
2325 <para>
2326
2327 <programlisting>
2328 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2329 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2330 </programlisting>
2331
2332 </para>
2333
2334 <para>
2335 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2336 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2337 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2338 So this program is legal:
2339 </para>
2340
2341 <para>
2342
2343 <programlisting>
2344   f :: Baz -> String
2345   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2346                | otherwise = "No"
2347   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2348 </programlisting>
2349
2350 </para>
2351
2352 <para>
2353 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2354 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2355 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2356 extract it on pattern matching.
2357 </para>
2358
2359 </sect3>
2360
2361 <sect3 id="existential-records">
2362 <title>Record Constructors</title>
2363
2364 <para>
2365 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
2366
2367 <programlisting>
2368 data Counter a = forall self. NewCounter
2369     { _this    :: self
2370     , _inc     :: self -> self
2371     , _display :: self -> IO ()
2372     , tag      :: a
2373     }
2374 </programlisting>
2375 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
2376 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
2377 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
2378 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
2379 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
2380 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
2381 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
2382 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
2383 </para>
2384
2385 <para>
2386 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
2387
2388 <programlisting>
2389 inc :: Counter a -> Counter a
2390 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
2391     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
2392
2393 display :: Counter a -> IO ()
2394 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
2395 </programlisting>
2396
2397 Now we can define counters with different underlying implementations:
2398
2399 <programlisting>
2400 counterA :: Counter String 
2401 counterA = NewCounter
2402     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
2403
2404 counterB :: Counter String 
2405 counterB = NewCounter
2406     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
2407
2408 main = do
2409     display (inc counterA)         -- prints "1"
2410     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
2411 </programlisting>
2412
2413 Record update syntax is supported for existentials (and GADTs):
2414 <programlisting>
2415 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
2416 setTag obj t = obj{ tag = t }
2417 </programlisting>
2418 The rule for record update is this: <emphasis>
2419 the types of the updated fields may
2420 mention only the universally-quantified type variables
2421 of the data constructor.  For GADTs, the field may mention only types
2422 that appear as a simple type-variable argument in the constructor's result
2423 type</emphasis>.  For example:
2424 <programlisting>
2425 data T a b where { T1 { f1::a, f2::b, f3::(b,c) } :: T a b } -- c is existential
2426 upd1 t x = t { f1=x }   -- OK:   upd1 :: T a b -> a' -> T a' b
2427 upd2 t x = t { f3=x }   -- BAD   (f3's type mentions c, which is
2428                         --        existentially quantified)
2429
2430 data G a b where { G1 { g1::a, g2::c } :: G a [c] }
2431 upd3 g x = g { g1=x }   -- OK:   upd3 :: G a b -> c -> G c b
2432 upd4 g x = g { g2=x }   -- BAD (f2's type mentions c, which is not a simple
2433                         --      type-variable argument in G1's result type)
2434 </programlisting>
2435 </para>
2436
2437 </sect3>
2438
2439
2440 <sect3>
2441 <title>Restrictions</title>
2442
2443 <para>
2444 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2445 constructors can be use.
2446 </para>
2447
2448 <para>
2449
2450 <itemizedlist>
2451 <listitem>
2452
2453 <para>
2454  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2455 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2456 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2457 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2458
2459
2460 <programlisting>
2461 f1 (MkFoo a f) = a
2462 </programlisting>
2463
2464
2465 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2466 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2467 ask what type <function>f1</function> has:
2468
2469
2470 <programlisting>
2471   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2472 </programlisting>
2473
2474
2475 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2476 this:
2477
2478
2479 <programlisting>
2480   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2481 </programlisting>
2482
2483
2484 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2485
2486
2487 <programlisting>
2488   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2489 </programlisting>
2490
2491
2492 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2493 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2494 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2495
2496
2497 </para>
2498 </listitem>
2499 <listitem>
2500
2501 <para>
2502 You can't pattern-match on an existentially quantified
2503 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2504 bindings. So this is illegal:
2505
2506
2507 <programlisting>
2508   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2509 </programlisting>
2510
2511 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2512
2513 <programlisting>
2514   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2515 </programlisting>
2516
2517 In general, you can only pattern-match
2518 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2519 in the patterns of a function definition.
2520
2521 The reason for this restriction is really an implementation one.
2522 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2523 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2524 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2525 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2526 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2527 annoying it is.
2528
2529 </para>
2530 </listitem>
2531 <listitem>
2532
2533 <para>
2534 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2535 declarations.  So this is illegal:
2536
2537
2538 <programlisting>
2539   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2540 </programlisting>
2541
2542
2543 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
2544 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
2545 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
2546 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
2547 You can get just the same efficiency and effect by using
2548 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
2549 there is no overloading involved, then there is more of a case for
2550 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
2551 because the <literal>data</literal> version does carry an
2552 implementation cost, but single-field existentially quantified
2553 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
2554 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
2555 are convincing reasons to change it.
2556
2557
2558 </para>
2559 </listitem>
2560 <listitem>
2561
2562 <para>
2563  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2564 data type with existentially quantified data constructors.
2565
2566 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
2567
2568 <programlisting>
2569 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2570 </programlisting>
2571
2572 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2573 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2574
2575 <programlisting>
2576 instance Eq T where
2577   (MkT a) == (MkT b) = ???
2578 </programlisting>
2579
2580 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
2581 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2582 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2583 declarations.  Define your own instances!
2584 </para>
2585 </listitem>
2586
2587 </itemizedlist>
2588
2589 </para>
2590
2591 </sect3>
2592 </sect2>
2593
2594 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
2595
2596 <sect2 id="gadt-style">
2597 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
2598
2599 <para>When the <literal>GADTSyntax</literal> extension is enabled,
2600 GHC allows you to declare an algebraic data type by
2601 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
2602 <programlisting>
2603   data Maybe a where
2604       Nothing :: Maybe a
2605       Just    :: a -> Maybe a
2606 </programlisting>
2607 The form is called a "GADT-style declaration"
2608 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
2609 can only be declared using this form.</para>
2610 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
2611 For example, these two declarations are equivalent:
2612 <programlisting>
2613   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2614   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
2615 </programlisting>
2616 </para>
2617 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
2618 can also be declared using GADT-style syntax.
2619 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
2620 they treat class constraints on the data constructors differently.
2621 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
2622 context is made available by pattern matching.  For example:
2623 <programlisting>
2624   data Set a where
2625     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
2626
2627   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
2628   makeSet xs = MkSet (nub xs)
2629
2630   insert :: a -> Set a -> Set a
2631   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
2632                       | otherwise   = MkSet (a:as)
2633 </programlisting>
2634 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
2635 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
2636 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
2637 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
2638 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
2639 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
2640 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
2641 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
2642 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
2643 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
2644 </para>
2645 <para>
2646 For example, one possible application is to reify dictionaries:
2647 <programlisting>
2648    data NumInst a where
2649      MkNumInst :: Num a => NumInst a
2650
2651    intInst :: NumInst Int
2652    intInst = MkNumInst
2653
2654    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
2655    plus MkNumInst p q = p + q
2656 </programlisting>
2657 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
2658 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
2659 </para>
2660 <para>
2661 All this applies to constructors declared using the syntax of <xref linkend="existential-with-context"/>.
2662 For example, the <literal>NumInst</literal> data type above could equivalently be declared 
2663 like this:
2664 <programlisting>
2665    data NumInst a 
2666       = Num a => MkNumInst (NumInst a)
2667 </programlisting>
2668 Notice that, unlike the situation when declaring an existential, there is 
2669 no <literal>forall</literal>, because the <literal>Num</literal> constrains the
2670 data type's universally quantified type variable <literal>a</literal>.  
2671 A constructor may have both universal and existential type variables: for example,
2672 the following two declarations are equivalent:
2673 <programlisting>
2674    data T1 a 
2675         = forall b. (Num a, Eq b) => MkT1 a b
2676    data T2 a where
2677         MkT2 :: (Num a, Eq b) => a -> b -> T2 a
2678 </programlisting>
2679 </para>
2680 <para>All this behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treatment of 
2681 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
2682 In Haskell 98 the definition
2683 <programlisting>
2684   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
2685 </programlisting>
2686 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
2687 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
2688 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
2689 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
2690 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.
2691 </para>
2692
2693 <para>
2694 The rest of this section gives further details about GADT-style data
2695 type declarations.
2696
2697 <itemizedlist>
2698 <listitem><para>
2699 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
2700 If the result type of all constructors 
2701 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
2702 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
2703 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
2704 </para></listitem>
2705
2706 <listitem><para>
2707 As with other type signatures, you can give a single signature for several data constructors.
2708 In this example we give a single signature for <literal>T1</literal> and <literal>T2</literal>:
2709 <programlisting>
2710   data T a where
2711     T1,T2 :: a -> T a
2712     T3 :: T a
2713 </programlisting>
2714 </para></listitem>
2715
2716 <listitem><para>
2717 The type signature of
2718 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
2719 In particular, the type variable(s) in the "<literal>data T a where</literal>" header 
2720 have no scope, and different constructors may have different universally-quantified type variables:
2721 <programlisting>
2722   data T a where        -- The 'a' has no scope
2723     T1,T2 :: b -> T b   -- Means forall b. b -> T b
2724     T3 :: T a           -- Means forall a. T a
2725 </programlisting>
2726 </para></listitem>
2727
2728 <listitem><para>
2729 A constructor signature may mention type class constraints, which can differ for
2730 different constructors.  For example, this is fine:
2731 <programlisting>
2732   data T a where
2733     T1 :: Eq b => b -> b -> T b
2734     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
2735 </programlisting>
2736 When patten matching, these constraints are made available to discharge constraints
2737 in the body of the match. For example:
2738 <programlisting>
2739   f :: T a -> String
2740   f (T1 x y) | x==y      = "yes"
2741              | otherwise = "no"
2742   f (T2 a b)             = show a
2743 </programlisting>
2744 Note that <literal>f</literal> is not overloaded; the <literal>Eq</literal> constraint arising
2745 from the use of <literal>==</literal> is discharged by the pattern match on <literal>T1</literal>
2746 and similarly the <literal>Show</literal> constraint arising from the use of <literal>show</literal>.
2747 </para></listitem>
2748
2749 <listitem><para>
2750 Unlike a Haskell-98-style 
2751 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
2752 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
2753 <programlisting>
2754   data Set :: * -> * where ...
2755 </programlisting>
2756 or even a mixture of the two:
2757 <programlisting>
2758   data Bar a :: (* -> *) -> * where ...
2759 </programlisting>
2760 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
2761 like this:
2762 <programlisting>
2763   data Bar a (b :: * -> *) where ...
2764 </programlisting>
2765 </para></listitem>
2766
2767
2768 <listitem><para>
2769 You can use strictness annotations, in the obvious places
2770 in the constructor type:
2771 <programlisting>
2772   data Term a where
2773       Lit    :: !Int -> Term Int
2774       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
2775       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2776 </programlisting>
2777 </para></listitem>
2778
2779 <listitem><para>
2780 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
2781 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
2782 <programlisting>
2783   data Maybe1 a where {
2784       Nothing1 :: Maybe1 a ;
2785       Just1    :: a -> Maybe1 a
2786     } deriving( Eq, Ord )
2787
2788   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
2789        deriving( Eq, Ord )
2790 </programlisting>
2791 </para></listitem>
2792
2793 <listitem><para>
2794 The type signature may have quantified type variables that do not appear
2795 in the result type:
2796 <programlisting>
2797   data Foo where
2798      MkFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo
2799      Nil   :: Foo
2800 </programlisting>
2801 Here the type variable <literal>a</literal> does not appear in the result type
2802 of either constructor.  
2803 Although it is universally quantified in the type of the constructor, such
2804 a type variable is often called "existential".  
2805 Indeed, the above declaration declares precisely the same type as 
2806 the <literal>data Foo</literal> in <xref linkend="existential-quantification"/>.
2807 </para><para>
2808 The type may contain a class context too, of course:
2809 <programlisting>
2810   data Showable where
2811     MkShowable :: Show a => a -> Showable
2812 </programlisting>
2813 </para></listitem>
2814
2815 <listitem><para>
2816 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
2817
2818 <programlisting>
2819   data Person where
2820       Adult :: { name :: String, children :: [Person] } -> Person
2821       Child :: Show a => { name :: !String, funny :: a } -> Person
2822 </programlisting>
2823 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
2824 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
2825 The <literal>Child</literal> constructor above shows that the signature
2826 may have a context, existentially-quantified variables, and strictness annotations, 
2827 just as in the non-record case.  (NB: the "type" that follows the double-colon
2828 is not really a type, because of the record syntax and strictness annotations.
2829 A "type" of this form can appear only in a constructor signature.)
2830 </para></listitem>
2831
2832 <listitem><para> 
2833 Record updates are allowed with GADT-style declarations, 
2834 only fields that have the following property: the type of the field
2835 mentions no existential type variables.
2836 </para></listitem>
2837
2838 <listitem><para> 
2839 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
2840 (<xref linkend="existential-records"/>),
2841 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
2842 selectors.  
2843 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
2844 <programlisting>
2845 data Counter a where
2846     NewCounter { _this    :: self
2847                , _inc     :: self -> self
2848                , _display :: self -> IO ()
2849                , tag      :: a
2850                }
2851         :: Counter a
2852 </programlisting>
2853 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
2854 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
2855 </para></listitem>
2856 </itemizedlist></para>
2857 </sect2>
2858
2859 <sect2 id="gadt">
2860 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
2861
2862 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
2863 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
2864 <programlisting>
2865   data Term a where
2866       Lit    :: Int -> Term Int
2867       Succ   :: Term Int -> Term Int
2868       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
2869       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
2870       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2871 </programlisting>
2872 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
2873 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
2874 write a well-typed <literal>eval</literal> function
2875 for these <literal>Terms</literal>:
2876 <programlisting>
2877   eval :: Term a -> a
2878   eval (Lit i)      = i
2879   eval (Succ t)     = 1 + eval t
2880   eval (IsZero t)   = eval t == 0
2881   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
2882   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
2883 </programlisting>
2884 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
2885 For example, in the right hand side of the equation
2886 <programlisting>
2887   eval :: Term a -> a
2888   eval (Lit i) =  ...
2889 </programlisting>
2890 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
2891 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
2892 but the design closely follows that described in
2893 the paper <ulink
2894 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/">Simple
2895 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
2896 (ICFP 2006).
2897 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
2898 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
2899 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
2900 and lots of obscure error messages will
2901 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
2902 <programlisting>
2903   eval :: Term a -> a -> a
2904   eval (Lit i) j =  i+j
2905 </programlisting>
2906 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
2907 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
2908 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
2909 </para>
2910 <para>
2911 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
2912 Tim Sheard. There is a longer introduction
2913 <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
2914 and Ralf Hinze's
2915 <ulink url="http://www.informatik.uni-bonn.de/~ralf/publications/With.pdf">Fun with phantom types</ulink> also has a number of examples. Note that papers
2916 may use different notation to that implemented in GHC.
2917 </para>
2918 <para>
2919 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs.   The extension is enabled with 
2920 <option>-XGADTs</option>.  The <option>-XGADTs</option> flag also sets <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
2921 <itemizedlist>
2922 <listitem><para>
2923 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
2924 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
2925 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
2926 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
2927 For example, in the <literal>Term</literal> data
2928 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
2929 the <literal>ty</literal> need not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
2930 constructor).
2931 </para></listitem>
2932
2933 <listitem><para>
2934 It is permitted to declare an ordinary algebraic data type using GADT-style syntax.
2935 What makes a GADT into a GADT is not the syntax, but rather the presence of data constructors
2936 whose result type is not just <literal>T a b</literal>.
2937 </para></listitem>
2938
2939 <listitem><para>
2940 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
2941 an ordinary data type.
2942 </para></listitem>
2943
2944 <listitem><para>
2945 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
2946 For example:
2947 <programlisting>
2948   data Term a where
2949       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
2950       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
2951       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
2952       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
2953       Pair   { arg1 :: Term a
2954              , arg2 :: Term b
2955              }                    :: Term (a,b)
2956       If     { cnd  :: Term Bool
2957              , tru  :: Term a
2958              , fls  :: Term a
2959              }                    :: Term a
2960 </programlisting>
2961 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
2962 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
2963 the same result type (modulo alpha conversion)
2964 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
2965 and <literal>arg</literal> fields above into a 
2966 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
2967 their selector functions actually have different types:
2968
2969 <programlisting>
2970   num :: Term Int -> Term Int
2971   arg :: Term Bool -> Term Int
2972 </programlisting>
2973 </para></listitem>
2974
2975 <listitem><para>
2976 When pattern-matching against data constructors drawn from a GADT, 
2977 for example in a <literal>case</literal> expression, the following rules apply:
2978 <itemizedlist>
2979 <listitem><para>The type of the scrutinee must be rigid.</para></listitem>
2980 <listitem><para>The type of the entire <literal>case</literal> expression must be rigid.</para></listitem>
2981 <listitem><para>The type of any free variable mentioned in any of
2982 the <literal>case</literal> alternatives must be rigid.</para></listitem>
2983 </itemizedlist>
2984 A type is "rigid" if it is completely known to the compiler at its binding site.  The easiest
2985 way to ensure that a variable a rigid type is to give it a type signature.
2986 For more precise details see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt">
2987 Simple unification-based type inference for GADTs
2988 </ulink>. The criteria implemented by GHC are given in the Appendix.
2989
2990 </para></listitem>
2991
2992 </itemizedlist>
2993 </para>
2994
2995 </sect2>
2996 </sect1>
2997
2998 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
2999
3000 <sect1 id="deriving">
3001 <title>Extensions to the "deriving" mechanism</title>
3002
3003 <sect2 id="deriving-inferred">
3004 <title>Inferred context for deriving clauses</title>
3005
3006 <para>
3007 The Haskell Report is vague about exactly when a <literal>deriving</literal> clause is
3008 legal.  For example:
3009 <programlisting>
3010   data T0 f a = MkT0 a         deriving( Eq )
3011   data T1 f a = MkT1 (f a)     deriving( Eq )
3012   data T2 f a = MkT2 (f (f a)) deriving( Eq )
3013 </programlisting>
3014 The natural generated <literal>Eq</literal> code would result in these instance declarations:
3015 <programlisting>
3016   instance Eq a         => Eq (T0 f a) where ...
3017   instance Eq (f a)     => Eq (T1 f a) where ...
3018   instance Eq (f (f a)) => Eq (T2 f a) where ...
3019 </programlisting>
3020 The first of these is obviously fine. The second is still fine, although less obviously. 
3021 The third is not Haskell 98, and risks losing termination of instances.
3022 </para>
3023 <para>
3024 GHC takes a conservative position: it accepts the first two, but not the third.  The  rule is this:
3025 each constraint in the inferred instance context must consist only of type variables, 
3026 with no repetitions.
3027 </para>
3028 <para>
3029 This rule is applied regardless of flags.  If you want a more exotic context, you can write
3030 it yourself, using the <link linkend="stand-alone-deriving">standalone deriving mechanism</link>.
3031 </para>
3032 </sect2>
3033
3034 <sect2 id="stand-alone-deriving">
3035 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
3036
3037 <para>
3038 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-XStandaloneDeriving</literal>:
3039 <programlisting>
3040   data Foo a = Bar a | Baz String
3041
3042   deriving instance Eq a => Eq (Foo a)
3043 </programlisting>
3044 The syntax is identical to that of an ordinary instance declaration apart from (a) the keyword
3045 <literal>deriving</literal>, and (b) the absence of the <literal>where</literal> part.
3046 Note the following points:
3047 <itemizedlist>
3048 <listitem><para>
3049 You must supply an explicit context (in the example the context is <literal>(Eq a)</literal>), 
3050 exactly as you would in an ordinary instance declaration.
3051 (In contrast, in a <literal>deriving</literal> clause 
3052 attached to a data type declaration, the context is inferred.) 
3053 </para></listitem>
3054
3055 <listitem><para>
3056 A <literal>deriving instance</literal> declaration
3057 must obey the same rules concerning form and termination as ordinary instance declarations,
3058 controlled by the same flags; see <xref linkend="instance-decls"/>.
3059 </para></listitem>
3060
3061 <listitem><para>
3062 Unlike a <literal>deriving</literal>
3063 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, the instance can be more specific
3064 than the data type (assuming you also use 
3065 <literal>-XFlexibleInstances</literal>, <xref linkend="instance-rules"/>).  Consider
3066 for example
3067 <programlisting>
3068   data Foo a = Bar a | Baz String
3069
3070   deriving instance Eq a => Eq (Foo [a])
3071   deriving instance Eq a => Eq (Foo (Maybe a))
3072 </programlisting>
3073 This will generate a derived instance for <literal>(Foo [a])</literal> and <literal>(Foo (Maybe a))</literal>,
3074 but other types such as <literal>(Foo (Int,Bool))</literal> will not be an instance of <literal>Eq</literal>.
3075 </para></listitem>
3076
3077 <listitem><para>
3078 Unlike a <literal>deriving</literal>
3079 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, 
3080 GHC does not restrict the form of the data type.  Instead, GHC simply generates the appropriate
3081 boilerplate code for the specified class, and typechecks it. If there is a type error, it is
3082 your problem. (GHC will show you the offending code if it has a type error.) 
3083 The merit of this is that you can derive instances for GADTs and other exotic
3084 data types, providing only that the boilerplate code does indeed typecheck.  For example:
3085 <programlisting>
3086   data T a where
3087      T1 :: T Int
3088      T2 :: T Bool
3089
3090   deriving instance Show (T a)
3091 </programlisting>
3092 In this example, you cannot say <literal>... deriving( Show )</literal> on the 
3093 data type declaration for <literal>T</literal>, 
3094 because <literal>T</literal> is a GADT, but you <emphasis>can</emphasis> generate
3095 the instance declaration using stand-alone deriving.
3096 </para>
3097 </listitem>
3098
3099 <listitem>
3100 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
3101 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
3102 For example:
3103 <programlisting>
3104   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
3105
3106   deriving instance MonadState Int Foo
3107 </programlisting>
3108 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
3109 (<literal>Foo</literal> in this example) as the type whose instance is being derived.
3110 </para></listitem>
3111 </itemizedlist></para>
3112
3113 </sect2>
3114
3115
3116 <sect2 id="deriving-typeable">
3117 <title>Deriving clause for extra classes (<literal>Typeable</literal>, <literal>Data</literal>, etc)</title>
3118
3119 <para>
3120 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3121 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3122 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3123 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3124 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3125 </para>
3126 <para>
3127 GHC extends this list with several more classes that may be automatically derived:
3128 <itemizedlist>
3129 <listitem><para> With <option>-XDeriveDataTypeable</option>, you can derive instances of the classes
3130 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>, defined in the library
3131 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively.
3132 </para>
3133 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3134 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3135 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3136 described in
3137 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3138 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3139 </ulink>.
3140 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3141 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3142 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3143 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3144 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3145 then writing the data type instance by hand.
3146 </para>
3147 </listitem>
3148
3149 <listitem><para> With <option>-XDeriveFunctor</option>, you can derive instances of 
3150 the class <literal>Functor</literal>,
3151 defined in <literal>GHC.Base</literal>.
3152 </para></listitem>
3153
3154 <listitem><para> With <option>-XDeriveFoldable</option>, you can derive instances of 
3155 the class <literal>Foldable</literal>,
3156 defined in <literal>Data.Foldable</literal>.
3157 </para></listitem>
3158
3159 <listitem><para> With <option>-XDeriveTraversable</option>, you can derive instances of 
3160 the class <literal>Traversable</literal>,
3161 defined in <literal>Data.Traversable</literal>.
3162 </para></listitem>
3163 </itemizedlist>
3164 In each case the appropriate class must be in scope before it 
3165 can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3166 </para>
3167 </sect2>
3168
3169 <sect2 id="newtype-deriving">
3170 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3171
3172 <para>
3173 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3174 the new type to inherit some instances from its representation. In
3175 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3176 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3177 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3178 example, if you define
3179
3180 <programlisting>
3181   newtype Dollars = Dollars Int 
3182 </programlisting>
3183
3184 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3185 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3186
3187 <programlisting>
3188   instance Num Dollars where
3189     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3190     ...
3191 </programlisting>
3192 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3193 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3194 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3195 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3196 dictionary, only slower!
3197 </para>
3198
3199
3200 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3201 <para>
3202 GHC now permits such instances to be derived instead, 
3203 using the flag <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
3204 so one can write 
3205 <programlisting>
3206   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3207 </programlisting>
3208
3209 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3210 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3211 derives an instance declaration of the form
3212
3213 <programlisting>
3214   instance Num Int => Num Dollars
3215 </programlisting>
3216
3217 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3218 </para>
3219 <para>
3220
3221 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3222 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3223 transformers, such that
3224
3225 <programlisting>
3226   instance Monad m => Monad (State s m) 
3227   instance Monad m => Monad (Failure m)
3228 </programlisting>
3229 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3230 <programlisting>
3231   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3232 </programlisting>
3233
3234 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3235 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3236 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3237
3238 <programlisting>
3239   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3240                          deriving Monad
3241 </programlisting>
3242 In this case the derived instance declaration is of the form 
3243 <programlisting>
3244   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3245 </programlisting>
3246
3247 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3248 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3249 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3250 "eta-converted" to generate the context of the instance
3251 declaration.
3252 </para>
3253 <para>
3254
3255 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3256 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3257 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3258 clause. For example, given the class
3259
3260 <programlisting>
3261   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3262   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3263 </programlisting>
3264 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3265 <programlisting>
3266   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3267                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3268 </programlisting>
3269
3270 The derived instance is obtained by completing the application of the
3271 class to the new type:
3272
3273 <programlisting>
3274   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3275            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3276 </programlisting>
3277 </para>
3278 <para>
3279
3280 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3281  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3282 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3283 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3284 the newtype and its representation.
3285 </para>
3286 </sect3>
3287
3288 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3289 <para>
3290 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3291 declaration (after expansion of any type synonyms)
3292
3293 <programlisting>
3294   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3295 </programlisting>
3296
3297 where 
3298  <itemizedlist>
3299 <listitem><para>
3300   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3301   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3302   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3303 </para></listitem>
3304 <listitem><para>
3305   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
3306 </para></listitem>
3307 <listitem><para>
3308   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
3309 </para></listitem>
3310 <listitem><para>
3311   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
3312   nor in the <literal>ci</literal>, and
3313 </para></listitem>
3314 <listitem><para>
3315   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3316                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3317                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3318                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3319                 via this new mechanism.  
3320 </para></listitem>
3321 </itemizedlist>
3322 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3323 declaration is:
3324 <programlisting>
3325   instance ci t => ci (T v1...vk)
3326 </programlisting>
3327 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3328 <programlisting>
3329   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3330 </programlisting>
3331 Here we cannot derive the instance 
3332 <programlisting>
3333   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3334 </programlisting>
3335
3336 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3337 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3338 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3339 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3340 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3341 </para>
3342 <para>
3343
3344 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3345 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3346 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3347
3348 <programlisting>
3349   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3350 </programlisting>
3351
3352 then we would not have been able to derive an instance for the
3353 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3354 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3355 instances is most interesting.
3356 </para>
3357 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3358 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3359 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3360 4.3.3. of the Haskell Report).
3361 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3362 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3363 the standard method is used or the one described here.)
3364 </para>
3365 </sect3>
3366 </sect2>
3367 </sect1>
3368
3369
3370 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
3371 <sect1 id="type-class-extensions">
3372 <title>Class and instances declarations</title>
3373
3374 <sect2 id="multi-param-type-classes">
3375 <title>Class declarations</title>
3376
3377 <para>
3378 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
3379 There's lots of background in the paper <ulink
3380 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space/">Type
3381 classes: exploring the design space</ulink> (Simon Peyton Jones, Mark
3382 Jones, Erik Meijer).
3383 </para>
3384 <para>
3385 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
3386 </para>
3387
3388 <sect3>
3389 <title>Multi-parameter type classes</title>
3390 <para>
3391 Multi-parameter type classes are permitted, with flag <option>-XMultiParamTypeClasses</option>. 
3392 For example:
3393
3394
3395 <programlisting>
3396   class Collection c a where
3397     union :: c a -> c a -> c a
3398     ...etc.
3399 </programlisting>
3400
3401 </para>
3402 </sect3>
3403
3404 <sect3 id="superclass-rules">
3405 <title>The superclasses of a class declaration</title>
3406
3407 <para>
3408 In Haskell 98 the context of a class declaration (which introduces superclasses)
3409 must be simple; that is, each predicate must consist of a class applied to 
3410 type variables.  The flag <option>-XFlexibleContexts</option> 
3411 (<xref linkend="flexible-contexts"/>)
3412 lifts this restriction,
3413 so that the only restriction on the context in a class declaration is 
3414 that the class hierarchy must be acyclic.  So these class declarations are OK:
3415
3416
3417 <programlisting>
3418   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
3419     ...
3420
3421   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
3422     lift :: m a -> (t m) a
3423 </programlisting>
3424
3425
3426 </para>
3427 <para>
3428 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
3429 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
3430 this is OK:
3431
3432
3433 <programlisting>
3434   class C a where {
3435     op :: D b => a -> b -> b
3436   }
3437
3438   class C a => D a where { ... }
3439 </programlisting>
3440
3441
3442 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
3443 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
3444 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
3445 </para>
3446 </sect3>
3447
3448
3449
3450
3451 <sect3 id="class-method-types">
3452 <title>Class method types</title>
3453
3454 <para>
3455 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
3456 class type variable, thus:
3457 <programlisting>
3458   class Seq s a where
3459     fromList :: [a] -> s a
3460     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
3461 </programlisting>
3462 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
3463 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
3464 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
3465 GHC lifts this restriction (flag <option>-XConstrainedClassMethods</option>).
3466 </para>
3467
3468
3469 </sect3>
3470 </sect2>
3471
3472 <sect2 id="functional-dependencies">
3473 <title>Functional dependencies
3474 </title>
3475
3476 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
3477 in &ldquo;<ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/jones00type.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
3478 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
3479 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
3480 .
3481 </para>
3482 <para>
3483 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
3484 class declaration;  e.g. 
3485 <programlisting>
3486   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
3487
3488   class Foo a b c | a b -> c where ...
3489 </programlisting>
3490 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
3491 </para>
3492
3493 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
3494 <para>
3495 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
3496 mentioned in <xref linkend="flexible-contexts"/>)
3497 from the free variables of each method type.
3498 For example:
3499
3500 <programlisting>
3501   class Coll s a where
3502     empty  :: s
3503     insert :: s -> a -> s
3504 </programlisting>
3505
3506 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
3507 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
3508 reachable:
3509 <programlisting>
3510   class Coll s a | s -> a where
3511     empty  :: s
3512     insert :: s -> a -> s
3513 </programlisting>
3514
3515 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
3516
3517 <programlisting>
3518   class Coll s a where
3519     empty  :: s a
3520     insert :: s a -> a -> s a
3521 </programlisting>
3522
3523
3524 which makes the connection between the type of a collection of
3525 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
3526 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
3527 class like this:
3528
3529
3530 <programlisting>
3531   class CollE s where
3532     empty  :: s
3533
3534   class CollE s => Coll s a where
3535     insert :: s -> a -> s
3536 </programlisting>
3537 </para>
3538 </sect3>
3539
3540
3541 <sect3>
3542 <title>Background on functional dependencies</title>
3543
3544 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
3545 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
3546 permission of Mark Jones.
3547 </para>
3548 <para> 
3549 Consider the following class, intended as part of a
3550 library for collection types:
3551 <programlisting>
3552    class Collects e ce where
3553        empty  :: ce
3554        insert :: e -> ce -> ce
3555        member :: e -> ce -> Bool
3556 </programlisting>
3557 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
3558 of the container itself. Within this framework, we might want to define
3559 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
3560 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
3561 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
3562 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
3563 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
3564 <programlisting>
3565    instance Eq e => Collects e [e] where ...
3566    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
3567    instance Collects Char BitSet where ...
3568    instance (Hashable e, Collects a ce)
3569               => Collects e (Array Int ce) where ...
3570 </programlisting>
3571 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
3572 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
3573 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
3574 <programlisting>
3575    empty :: Collects e ce => ce
3576 </programlisting>
3577 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
3578 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
3579 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
3580 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
3581 type.
3582 </para>
3583 <para>
3584 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
3585 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
3586 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
3587 them. For example, consider the following two functions: 
3588 <programlisting>
3589    f x y = insert x . insert y
3590    g     = f True 'a'
3591 </programlisting>
3592 for which GHC infers the following types: 
3593 <programlisting>
3594    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3595    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
3596 </programlisting>
3597 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
3598 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
3599 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
3600 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
3601 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
3602 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
3603 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
3604 might even be in a different module.
3605 </para>
3606
3607 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
3608
3609 <para>
3610 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
3611 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
3612 <programlisting>
3613    class Collects e c where
3614       empty  :: c e
3615       insert :: e -> c e -> c e
3616       member :: e -> c e -> Bool
3617 </programlisting>
3618 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
3619 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
3620 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
3621 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
3622 e</literal>, which is not ambiguous. 
3623 </para>
3624 <para>
3625 The function f from the previous section has a more accurate type: 
3626 <programlisting>
3627    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
3628 </programlisting>
3629 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
3630 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
3631 different types. 
3632 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
3633 quite well in practice, without ambiguity problems.
3634 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
3635 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
3636 for <literal>Collects</literal>
3637 given above can be used with this version of Collects because only one of
3638 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
3639 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
3640 </para>
3641 </sect4>
3642
3643 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
3644
3645 <para>
3646 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
3647 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
3648 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
3649 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
3650 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
3651 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
3652 later framework for "improvement" of qualified types. The
3653 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
3654 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
3655 general design space for systems of implicit parameterization.).
3656
3657 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
3658 <programlisting>
3659    class C a b where ...
3660 </programlisting>
3661 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
3662 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
3663 included in the definition of classes to add information about dependencies
3664 between parameters, as in the following examples: 
3665 <programlisting>
3666    class D a b | a -> b where ...
3667    class E a b | a -> b, b -> a where ...
3668 </programlisting>
3669 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
3670 symbols --- not to be
3671 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
3672 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
3673 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
3674 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
3675 represents a (partial) one-one mapping between types.
3676 </para>
3677 <para>
3678 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
3679 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
3680 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
3681 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
3682 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
3683 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
3684 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
3685 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
3686 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
3687 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
3688 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
3689 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
3690 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
3691 <literal>a-&gt;b</literal>, 
3692  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
3693 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
3694 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
3695 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
3696 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
3697 unchanged.
3698 </para>
3699 <para>
3700 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
3701 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
3702 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
3703 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
3704 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
3705 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
3706 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
3707 <programlisting>
3708    instance D Bool Int where ...
3709    instance D Bool Char where ...
3710 </programlisting>
3711 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
3712 <programlisting>
3713    instance D [a] b where ...
3714 </programlisting>
3715 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
3716 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
3717 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
3718 in any instance of the form: 
3719 <programlisting>
3720    instance D t s where ...
3721 </programlisting>
3722 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
3723 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
3724 uniquely determined.
3725 </para>
3726 <para>
3727 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
3728 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
3729 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
3730 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
3731 with a simple dependency: 
3732 <programlisting>
3733    class Collects e ce | ce -> e where
3734       empty  :: ce
3735       insert :: e -> ce -> ce
3736       member :: e -> ce -> Bool
3737 </programlisting>
3738 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
3739 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
3740 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
3741 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
3742 together with this new definition.
3743 </para>
3744 <para>
3745 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
3746 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
3747 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
3748 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
3749 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
3750 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
3751 give enough information to determine types for both ce and e, without
3752 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
3753 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
3754 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
3755 </para>
3756 <para>
3757 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
3758 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
3759 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
3760 function f: 
3761 <programlisting>
3762    f x y = insert x y = insert x . insert y
3763 </programlisting>
3764 for which we originally obtained a type: 
3765 <programlisting>
3766    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3767 </programlisting>
3768 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
3769 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
3770 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
3771 can infer a shorter and more accurate type for f: 
3772 <programlisting>
3773    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
3774 </programlisting>
3775 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
3776 </para>
3777 <para>
3778 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
3779 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
3780 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
3781 sets of instance declarations.
3782 </para>
3783 </sect4>
3784 </sect3>
3785 </sect2>
3786
3787 <sect2 id="instance-decls">
3788 <title>Instance declarations</title>
3789
3790 <para>An instance declaration has the form
3791 <screen>
3792   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 ...
3793 </screen>
3794 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
3795 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
3796 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
3797 </para>
3798
3799 <sect3 id="flexible-instance-head">
3800 <title>Relaxed rules for the instance head</title>
3801
3802 <para>
3803 In Haskell 98 the head of an instance declaration
3804 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
3805 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a data type constructor,
3806 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
3807 GHC relaxes these rules in two ways.
3808 <itemizedlist>
3809 <listitem>
3810 <para>
3811 The <option>-XFlexibleInstances</option> flag allows the head of the instance
3812 declaration to mention arbitrary nested types.
3813 For example, this becomes a legal instance declaration
3814 <programlisting>
3815   instance C (Maybe Int) where ...
3816 </programlisting>
3817 See also the <link linkend="instance-overlap">rules on overlap</link>.
3818 </para></listitem>
3819 <listitem><para>
3820 With the <option>-XTypeSynonymInstances</option> flag, instance heads may use type
3821 synonyms. As always, using a type synonym is just shorthand for
3822 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
3823
3824
3825 <programlisting>
3826   type Point = (Int,Int)
3827   instance C Point   where ...
3828   instance C [Point] where ...
3829 </programlisting>
3830
3831
3832 is legal.  However, if you added
3833
3834
3835 <programlisting>
3836   instance C (Int,Int) where ...
3837 </programlisting>
3838
3839
3840 as well, then the compiler will complain about the overlapping
3841 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
3842 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
3843
3844 <programlisting>
3845   type P a = [[a]]
3846   instance Monad P where ...
3847 </programlisting>
3848
3849 </para></listitem>
3850 </itemizedlist>
3851 </para>
3852 </sect3>
3853
3854 <sect3 id="instance-rules">
3855 <title>Relaxed rules for instance contexts</title>
3856
3857 <para>In Haskell 98, the assertions in the context of the instance declaration
3858 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
3859 is a type variable that occurs in the head.
3860 </para>
3861
3862 <para>
3863 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag relaxes this rule, as well
3864 as the corresponding rule for type signatures (see <xref linkend="flexible-contexts"/>).
3865 With this flag the context of the instance declaration can each consist of arbitrary
3866 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
3867 following rules:
3868 <orderedlist>
3869 <listitem><para>
3870 The Paterson Conditions: for each assertion in the context
3871 <orderedlist>
3872 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
3873 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
3874       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
3875 </orderedlist>
3876 </para></listitem>
3877
3878 <listitem><para>The Coverage Condition.  For each functional dependency,
3879 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
3880 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
3881 every type variable in
3882 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
3883 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
3884 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
3885 corresponding type in the instance declaration.
3886 </para></listitem>
3887 </orderedlist>
3888 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
3889 step makes the problem smaller by at least one
3890 constructor.  Both the Paterson Conditions and the Coverage Condition are lifted 
3891 if you give the <option>-XUndecidableInstances</option> 
3892 flag (<xref linkend="undecidable-instances"/>).
3893 You can find lots of background material about the reason for these
3894 restrictions in the paper <ulink
3895 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
3896 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
3897 </para>
3898 <para>
3899 For example, these are OK:
3900 <programlisting>
3901   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
3902   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
3903
3904       -- Repeated type variable in head
3905   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
3906   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
3907
3908       -- Head can consist of type variables only
3909   instance C a
3910   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
3911
3912       -- Non-type variables in context
3913   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
3914   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
3915   instance C2 Int a => C3 [a] b
3916 </programlisting>
3917 But these are not:
3918 <programlisting>
3919       -- Context assertion no smaller than head
3920   instance C a => C a where ...
3921       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
3922   instance C b b => Foo [b] where ...
3923 </programlisting>
3924 </para>
3925
3926 <para>
3927 The same restrictions apply to instances generated by
3928 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
3929 <programlisting>
3930   data MinHeap h a = H a (h a)
3931     deriving (Show)
3932 </programlisting>
3933 because the derived instance
3934 <programlisting>
3935   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
3936 </programlisting>
3937 conforms to the above rules.
3938 </para>
3939
3940 <para>
3941 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
3942 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
3943 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
3944 something more specific does not:
3945 <programlisting>
3946   instance C a where
3947     op = ... -- Default
3948 </programlisting>
3949 </para>
3950 </sect3>
3951
3952 <sect3 id="undecidable-instances">
3953 <title>Undecidable instances</title>
3954
3955 <para>
3956 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
3957 For example, sometimes you might want to use the following to get the
3958 effect of a "class synonym":
3959 <programlisting>
3960   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3961
3962   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3963 </programlisting>
3964 This allows you to write shorter signatures:
3965 <programlisting>
3966   f :: C a => ...
3967 </programlisting>
3968 instead of
3969 <programlisting>
3970   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
3971 </programlisting>
3972 The restrictions on functional dependencies (<xref
3973 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
3974 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
3975 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
3976 <programlisting>
3977   class HasConverter a b | a -> b where
3978      convert :: a -> b
3979    
3980   data Foo a = MkFoo a
3981
3982   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
3983      show (MkFoo value) = show (convert value)
3984 </programlisting>
3985 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
3986 typechecker loop:
3987 <programlisting>
3988   class D a
3989   class F a b | a->b
3990   instance F [a] [[a]]
3991   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
3992 </programlisting>
3993 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
3994 <programlisting>
3995   class Mul a b c | a b -> c where
3996         (.*.) :: a -> b -> c
3997
3998   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
3999   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
4000   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
4001 </programlisting>
4002 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
4003 and indeed the (somewhat strange) definition:
4004 <programlisting>
4005   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
4006 </programlisting>
4007 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
4008 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
4009 </para>
4010 <para>
4011 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
4012 the experimental flag <option>-XUndecidableInstances</option>
4013 <indexterm><primary>-XUndecidableInstances</primary></indexterm>, 
4014 both the Paterson Conditions and the Coverage Condition
4015 (described in <xref linkend="instance-rules"/>) are lifted.  Termination is ensured by having a
4016 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
4017 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
4018 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
4019 </para>
4020
4021 </sect3>
4022
4023
4024 <sect3 id="instance-overlap">
4025 <title>Overlapping instances</title>
4026 <para>
4027 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
4028 declaration
4029 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
4030 can be modified by two flags: <option>-XOverlappingInstances</option>
4031 <indexterm><primary>-XOverlappingInstances
4032 </primary></indexterm> 
4033 and <option>-XIncoherentInstances</option>
4034 <indexterm><primary>-XIncoherentInstances
4035 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
4036 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
4037 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
4038 <para>
4039 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
4040 it tries to match every instance declaration against the
4041 constraint,
4042 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
4043 these declarations:
4044 <programlisting>
4045   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
4046   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
4047   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
4048   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
4049 </programlisting>
4050 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
4051 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
4052 no account of the context of the instance declaration
4053 (<literal>context1</literal> etc).
4054 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
4055 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
4056 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
4057 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
4058 particular constraint matches more than one.
4059 </para>
4060
4061 <para>
4062 The <option>-XOverlappingInstances</option> flag instructs GHC to allow
4063 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
4064 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
4065 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
4066 most-specific match, the program is rejected.
4067 </para>
4068 <para>
4069 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
4070 <programlisting>
4071   f :: [b] -> [b]
4072   f x = ...
4073 </programlisting>
4074 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
4075 <literal>C Int [b]</literal>.  But
4076 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
4077 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
4078 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
4079 So GHC rejects the program.  
4080 (If you add the flag <option>-XIncoherentInstances</option>,
4081 GHC will instead pick (C), without complaining about 
4082 the problem of subsequent instantiations.)
4083 </para>
4084 <para>
4085 Notice that we gave a type signature to <literal>f</literal>, so GHC had to
4086 <emphasis>check</emphasis> that <literal>f</literal> has the specified type.  
4087 Suppose instead we do not give a type signature, asking GHC to <emphasis>infer</emphasis>
4088 it instead.  In this case, GHC will refrain from
4089 simplifying the constraint <literal>C Int [b]</literal> (for the same reason
4090 as before) but, rather than rejecting the program, it will infer the type
4091 <programlisting>
4092   f :: C Int [b] => [b] -> [b]
4093 </programlisting>
4094 That postpones the question of which instance to pick to the 
4095 call site for <literal>f</literal>
4096 by which time more is known about the type <literal>b</literal>.
4097 You can write this type signature yourself if you use the 
4098 <link linkend="flexible-contexts"><option>-XFlexibleContexts</option></link>
4099 flag.
4100 </para>
4101 <para>
4102 Exactly the same situation can arise in instance declarations themselves.  Suppose we have
4103 <programlisting>
4104   class Foo a where
4105      f :: a -> a
4106   instance Foo [b] where
4107      f x = ...
4108 </programlisting>
4109 and, as before, the constraint <literal>C Int [b]</literal> arises from <literal>f</literal>'s
4110 right hand side.  GHC will reject the instance, complaining as before that it does not know how to resolve
4111 the constraint <literal>C Int [b]</literal>, because it matches more than one instance
4112 declaration.  The solution is to postpone the choice by adding the constraint to the context
4113 of the instance declaration, thus:
4114 <programlisting>
4115   instance C Int [b] => Foo [b] where
4116      f x = ...
4117 </programlisting>
4118 (You need <link linkend="instance-rules"><option>-XFlexibleInstances</option></link> to do this.)
4119 </para>
4120 <para>
4121 Warning: overlapping instances must be used with care.  They 
4122 can give rise to incoherence (ie different instance choices are made
4123 in different parts of the program) even without <option>-XIncoherentInstances</option>. Consider:
4124 <programlisting>
4125 {-# LANGUAGE OverlappingInstances #-}
4126 module Help where
4127
4128     class MyShow a where
4129       myshow :: a -> String
4130
4131     instance MyShow a => MyShow [a] where
4132       myshow xs = concatMap myshow xs
4133
4134     showHelp :: MyShow a => [a] -> String
4135     showHelp xs = myshow xs
4136
4137 {-# LANGUAGE FlexibleInstances, OverlappingInstances #-}
4138 module Main where
4139     import Help
4140
4141     data T = MkT
4142
4143     instance MyShow T where
4144       myshow x = "Used generic instance"
4145
4146     instance MyShow [T] where
4147       myshow xs = "Used more specific instance"
4148
4149     main = do { print (myshow [MkT]); print (showHelp [MkT]) }
4150 </programlisting>
4151 In function <literal>showHelp</literal> GHC sees no overlapping
4152 instances, and so uses the <literal>MyShow [a]</literal> instance
4153 without complaint.  In the call to <literal>myshow</literal> in <literal>main</literal>,
4154 GHC resolves the <literal>MyShow [T]</literal> constraint using the overlapping
4155 instance declaration in module <literal>Main</literal>. As a result, 
4156 the program prints
4157 <programlisting>
4158   "Used more specific instance"
4159   "Used generic instance"
4160 </programlisting>
4161 (An alternative possible behaviour, not currently implemented, 
4162 would be to reject module <literal>Help</literal>
4163 on the grounds that a later instance declaration might overlap the local one.)
4164 </para>
4165 <para>
4166 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
4167 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
4168 presence or otherwise of the <option>-XOverlappingInstances</option> 
4169 and <option>-XIncoherentInstances</option> flags when that module is
4170 being defined.  Specifically, during the lookup process:
4171 <itemizedlist>
4172 <listitem><para>
4173 If the constraint being looked up matches two instance declarations IA and IB,
4174 and
4175 <itemizedlist>
4176 <listitem><para>IB is a substitution instance of IA (but not vice versa);
4177 that is, IB is strictly more specific than IA</para></listitem>
4178 <listitem><para>either IA or IB was compiled with <option>-XOverlappingInstances</option></para></listitem>
4179 </itemizedlist>
4180 then the less-specific instance IA is ignored.
4181 </para></listitem>
4182 <listitem><para>
4183 Suppose an instance declaration does not match the constraint being looked up, but
4184 does <emphasis>unify</emphasis> with it, so that it might match when the constraint is further
4185 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
4186 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
4187 <option>-XIncoherentInstances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
4188 check for that declaration.
4189 </para></listitem>
4190 </itemizedlist>
4191 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
4192 overlapping instances without the library client having to know.  
4193 </para>
4194 <para>The <option>-XIncoherentInstances</option> flag implies the
4195 <option>-XOverlappingInstances</option> flag, but not vice versa.
4196 </para>
4197 </sect3>
4198
4199
4200
4201 </sect2>
4202
4203 <sect2 id="overloaded-strings">
4204 <title>Overloaded string literals
4205 </title>
4206
4207 <para>
4208 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
4209 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
4210 literals enabled (with <literal>-XOverloadedStrings</literal>)
4211  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
4212 </para>
4213 <para>
4214 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
4215 and other variations of string like types.  String literals behave very much
4216 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
4217 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
4218 way as an integer literal is.
4219 </para>
4220 <para>
4221 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
4222 <programlisting>
4223 class IsString a where
4224     fromString :: String -> a
4225 </programlisting>
4226 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
4227 <programlisting>
4228 instance IsString [Char] where
4229     fromString cs = cs
4230 </programlisting>
4231 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
4232 it explicitly (for example, to give an instance declaration for it), you can import it
4233 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
4234 </para>
4235 <para>
4236 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-XOverloadedStrings</option> is specified.
4237 Specifically:
4238 <itemizedlist>
4239 <listitem><para>
4240 Each type in a default declaration must be an 
4241 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
4242 </para></listitem>
4243
4244 <listitem><para>
4245 The standard defaulting rule (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
4246 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
4247 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
4248 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
4249 </para></listitem>
4250 </itemizedlist>
4251 </para>
4252 <para>
4253 A small example:
4254 <programlisting>
4255 module Main where
4256
4257 import GHC.Exts( IsString(..) )
4258
4259 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
4260 instance IsString MyString where
4261     fromString = MyString
4262
4263 greet :: MyString -> MyString
4264 greet "hello" = "world"
4265 greet other = other
4266
4267 main = do
4268     print $ greet "hello"
4269     print $ greet "fool"
4270 </programlisting>
4271 </para>
4272 <para>
4273 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
4274 to work since it gets translated into an equality comparison.
4275 </para>
4276 </sect2>
4277
4278 </sect1>
4279
4280 <sect1 id="type-families">
4281 <title>Type families</title>
4282
4283 <para>
4284   <firstterm>Indexed type families</firstterm> are a new GHC extension to
4285   facilitate type-level 
4286   programming. Type families are a generalisation of <firstterm>associated
4287   data types</firstterm> 
4288   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKPM05.html">Associated 
4289   Types with Class</ulink>&rdquo;, M. Chakravarty, G. Keller, S. Peyton Jones,
4290   and S. Marlow. In Proceedings of &ldquo;The 32nd Annual ACM SIGPLAN-SIGACT
4291      Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'05)&rdquo;, pages
4292   1-13, ACM Press, 2005) and <firstterm>associated type synonyms</firstterm>
4293   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKP05.html">Type  
4294   Associated Type Synonyms</ulink>&rdquo;. M. Chakravarty, G. Keller, and
4295   S. Peyton Jones. 
4296   In Proceedings of &ldquo;The Tenth ACM SIGPLAN International Conference on
4297   Functional Programming&rdquo;, ACM Press, pages 241-253, 2005).  Type families
4298   themselves are described in the paper &ldquo;<ulink 
4299   url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4300   Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;, T. Schrijvers,
4301   S. Peyton-Jones, 
4302   M. Chakravarty, and M. Sulzmann, in Proceedings of &ldquo;ICFP 2008: The
4303   13th ACM SIGPLAN International Conference on Functional
4304   Programming&rdquo;, ACM Press, pages 51-62, 2008. Type families
4305   essentially provide type-indexed data types and named functions on types,
4306   which are useful for generic programming and highly parameterised library
4307   interfaces as well as interfaces with enhanced static information, much like
4308   dependent types. They might also be regarded as an alternative to functional
4309   dependencies, but provide a more functional style of type-level programming
4310   than the relational style of functional dependencies. 
4311 </para>
4312 <para>
4313   Indexed type families, or type families for short, are type constructors that
4314   represent sets of types. Set members are denoted by supplying the type family
4315   constructor with type parameters, which are called <firstterm>type
4316   indices</firstterm>. The 
4317   difference between vanilla parametrised type constructors and family
4318   constructors is much like between parametrically polymorphic functions and
4319   (ad-hoc polymorphic) methods of type classes. Parametric polymorphic functions
4320   behave the same at all type instances, whereas class methods can change their
4321   behaviour in dependence on the class type parameters. Similarly, vanilla type
4322   constructors imply the same data representation for all type instances, but
4323   family constructors can have varying representation types for varying type
4324   indices. 
4325 </para>
4326 <para>
4327   Indexed type families come in two flavours: <firstterm>data
4328     families</firstterm> and <firstterm>type synonym 
4329     families</firstterm>. They are the indexed family variants of algebraic
4330   data types and type synonyms, respectively. The instances of data families
4331   can be data types and newtypes. 
4332 </para>
4333 <para>
4334   Type families are enabled by the flag <option>-XTypeFamilies</option>.
4335   Additional information on the use of type families in GHC is available on
4336   <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GHC/Indexed_types">the
4337   Haskell wiki page on type families</ulink>.
4338 </para>
4339
4340 <sect2 id="data-families">
4341   <title>Data families</title>
4342
4343   <para>
4344     Data families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4345     toplevel 
4346     or (2) they can appear inside type classes (in which case they are known as
4347     associated types). The former is the more general variant, as it lacks the
4348     requirement for the type-indexes to coincide with the class
4349     parameters. However, the latter can lead to more clearly structured code and
4350     compiler warnings if some type instances were - possibly accidentally -
4351     omitted. In the following, we always discuss the general toplevel form first
4352     and then cover the additional constraints placed on associated types.
4353   </para>
4354
4355   <sect3 id="data-family-declarations"> 
4356     <title>Data family declarations</title>
4357
4358     <para>
4359       Indexed data families are introduced by a signature, such as 
4360 <programlisting>
4361 data family GMap k :: * -> *
4362 </programlisting>
4363       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4364       data declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4365       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is
4366 <programlisting>
4367 data family Array e
4368 </programlisting>
4369       Named arguments can also be given explicit kind signatures if needed.
4370       Just as with
4371       [http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/users_guide/gadt.html GADT
4372       declarations] named arguments are entirely optional, so that we can
4373       declare <literal>Array</literal> alternatively with 
4374 <programlisting>
4375 data family Array :: * -> *
4376 </programlisting>
4377     </para>
4378
4379     <sect4 id="assoc-data-family-decl">
4380       <title>Associated data family declarations</title>
4381       <para>
4382         When a data family is declared as part of a type class, we drop
4383         the <literal>family</literal> special.  The <literal>GMap</literal>
4384         declaration takes the following form 
4385 <programlisting>
4386 class GMapKey k where
4387   data GMap k :: * -> *
4388   ...
4389 </programlisting>
4390         In contrast to toplevel declarations, named arguments must be used for
4391         all type parameters that are to be used as type-indexes.  Moreover,
4392         the argument names must be class parameters.  Each class parameter may
4393         only be used at most once per associated type, but some may be omitted
4394         and they may be in an order other than in the class head.  Hence, the
4395         following contrived example is admissible: 
4396 <programlisting>
4397   class C a b c where
4398   data T c a :: *
4399 </programlisting>
4400       </para>
4401     </sect4>
4402   </sect3>
4403
4404   <sect3 id="data-instance-declarations"> 
4405     <title>Data instance declarations</title>
4406
4407     <para>
4408       Instance declarations of data and newtype families are very similar to
4409       standard data and newtype declarations.  The only two differences are
4410       that the keyword <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>
4411       is followed by <literal>instance</literal> and that some or all of the
4412       type arguments can be non-variable types, but may not contain forall
4413       types or type synonym families.  However, data families are generally
4414       allowed in type parameters, and type synonyms are allowed as long as
4415       they are fully applied and expand to a type that is itself admissible -
4416       exactly as this is required for occurrences of type synonyms in class
4417       instance parameters.  For example, the <literal>Either</literal>
4418       instance for <literal>GMap</literal> is 
4419 <programlisting>
4420 data instance GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4421 </programlisting>
4422       In this example, the declaration has only one variant.  In general, it
4423       can be any number.
4424     </para>
4425     <para>
4426       Data and newtype instance declarations are only permitted when an
4427       appropriate family declaration is in scope - just as a class instance declaratoin
4428       requires the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4429       declaration has to conform to the kind determined by its family
4430       declaration.  This implies that the number of parameters of an instance
4431       declaration matches the arity determined by the kind of the family.
4432     </para>
4433     <para>
4434       A data family instance declaration can use the full exprssiveness of
4435       ordinary <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declarations:
4436       <itemizedlist>
4437       <listitem><para> Although, a data family is <emphasis>introduced</emphasis> with
4438       the keyword "<literal>data</literal>", a data family <emphasis>instance</emphasis> can 
4439       use either <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>. For example:
4440 <programlisting>
4441 data family T a
4442 data    instance T Int  = T1 Int | T2 Bool
4443 newtype instance T Char = TC Bool
4444 </programlisting>
4445       </para></listitem>
4446       <listitem><para> A <literal>data instance</literal> can use GADT syntax for the data constructors,
4447       and indeed can define a GADT.  For example:
4448 <programlisting>
4449 data family G a b
4450 data instance G [a] b where
4451    G1 :: c -> G [Int] b
4452    G2 :: G [a] Bool
4453 </programlisting>
4454       </para></listitem>
4455       <listitem><para> You can use a <literal>deriving</literal> clause on a
4456       <literal>data instance</literal> or <literal>newtype instance</literal>
4457       declaration.
4458       </para></listitem>
4459       </itemizedlist>
4460     </para>
4461
4462     <para>
4463       Even if type families are defined as toplevel declarations, functions
4464       that perform different computations for different family instances may still
4465       need to be defined as methods of type classes.  In particular, the
4466       following is not possible: 
4467 <programlisting>
4468 data family T a
4469 data instance T Int  = A
4470 data instance T Char = B
4471 foo :: T a -> Int
4472 foo A = 1             -- WRONG: These two equations together...
4473 foo B = 2             -- ...will produce a type error.
4474 </programlisting>
4475 Instead, you would have to write <literal>foo</literal> as a class operation, thus:
4476 <programlisting>
4477 class C a where 
4478   foo :: T a -> Int
4479 instance Foo Int where
4480   foo A = 1
4481 instance Foo Char where
4482   foo B = 2
4483 </programlisting>
4484       (Given the functionality provided by GADTs (Generalised Algebraic Data
4485       Types), it might seem as if a definition, such as the above, should be
4486       feasible.  However, type families are - in contrast to GADTs - are
4487       <emphasis>open;</emphasis> i.e., new instances can always be added,
4488       possibly in other 
4489       modules.  Supporting pattern matching across different data instances
4490       would require a form of extensible case construct.)
4491     </para>
4492
4493     <sect4 id="assoc-data-inst">
4494       <title>Associated data instances</title>
4495       <para>
4496         When an associated data family instance is declared within a type
4497         class instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the
4498         family instance.  So, the <literal>Either</literal> instance
4499         for <literal>GMap</literal> becomes: 
4500 <programlisting>
4501 instance (GMapKey a, GMapKey b) => GMapKey (Either a b) where
4502   data GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4503   ...
4504 </programlisting>
4505         The most important point about associated family instances is that the
4506         type indexes corresponding to class parameters must be identical to
4507         the type given in the instance head; here this is the first argument
4508         of <literal>GMap</literal>, namely <literal>Either a b</literal>,
4509         which coincides with the only class parameter.  Any parameters to the
4510         family constructor that do not correspond to class parameters, need to
4511         be variables in every instance; here this is the
4512         variable <literal>v</literal>. 
4513       </para>
4514       <para>
4515         Instances for an associated family can only appear as part of
4516         instances declarations of the class in which the family was declared -
4517         just as with the equations of the methods of a class.  Also in
4518         correspondence to how methods are handled, declarations of associated
4519         types can be omitted in class instances.  If an associated family
4520         instance is omitted, the corresponding instance type is not inhabited;
4521         i.e., only diverging expressions, such
4522         as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4523       </para>
4524     </sect4>
4525
4526     <sect4 id="scoping-class-params">
4527       <title>Scoping of class parameters</title>
4528       <para>
4529         In the case of multi-parameter type classes, the visibility of class
4530         parameters in the right-hand side of associated family instances
4531         depends <emphasis>solely</emphasis> on the parameters of the data
4532         family.  As an example, consider the simple class declaration 
4533 <programlisting>
4534 class C a b where
4535   data T a
4536 </programlisting>
4537         Only one of the two class parameters is a parameter to the data
4538         family.  Hence, the following instance declaration is invalid: 
4539 <programlisting>
4540 instance C [c] d where
4541   data T [c] = MkT (c, d)    -- WRONG!!  'd' is not in scope
4542 </programlisting>
4543         Here, the right-hand side of the data instance mentions the type
4544         variable <literal>d</literal> that does not occur in its left-hand
4545         side.  We cannot admit such data instances as they would compromise
4546         type safety. 
4547       </para>
4548     </sect4>
4549
4550     <sect4 id="family-class-inst">
4551       <title>Type class instances of family instances</title>
4552       <para>
4553         Type class instances of instances of data families can be defined as
4554         usual, and in particular data instance declarations can
4555         have <literal>deriving</literal> clauses.  For example, we can write 
4556 <programlisting>
4557 data GMap () v = GMapUnit (Maybe v)
4558                deriving Show
4559 </programlisting>
4560         which implicitly defines an instance of the form
4561 <programlisting>
4562 instance Show v => Show (GMap () v) where ...
4563 </programlisting>
4564       </para>
4565       <para>
4566         Note that class instances are always for
4567         particular <emphasis>instances</emphasis> of a data family and never
4568         for an entire family as a whole.  This is for essentially the same
4569         reasons that we cannot define a toplevel function that performs
4570         pattern matching on the data constructors
4571         of <emphasis>different</emphasis> instances of a single type family.
4572         It would require a form of extensible case construct. 
4573       </para>
4574     </sect4>
4575
4576     <sect4 id="data-family-overlap">
4577       <title>Overlap of data instances</title>
4578       <para>
4579         The instance declarations of a data family used in a single program
4580         may not overlap at all, independent of whether they are associated or
4581         not.  In contrast to type class instances, this is not only a matter
4582         of consistency, but one of type safety. 
4583       </para>
4584     </sect4>
4585
4586   </sect3>
4587
4588   <sect3 id="data-family-import-export">
4589     <title>Import and export</title>
4590
4591     <para>
4592       The association of data constructors with type families is more dynamic
4593       than that is the case with standard data and newtype declarations.  In
4594       the standard case, the notation <literal>T(..)</literal> in an import or
4595       export list denotes the type constructor and all the data constructors
4596       introduced in its declaration.  However, a family declaration never
4597       introduces any data constructors; instead, data constructors are
4598       introduced by family instances.  As a result, which data constructors
4599       are associated with a type family depends on the currently visible
4600       instance declarations for that family.  Consequently, an import or
4601       export item of the form <literal>T(..)</literal> denotes the family
4602       constructor and all currently visible data constructors - in the case of
4603       an export item, these may be either imported or defined in the current
4604       module.  The treatment of import and export items that explicitly list
4605       data constructors, such as <literal>GMap(GMapEither)</literal>, is
4606       analogous. 
4607     </para>
4608
4609     <sect4 id="data-family-impexp-assoc">
4610       <title>Associated families</title>
4611       <para>
4612         As expected, an import or export item of the
4613         form <literal>C(..)</literal> denotes all of the class' methods and
4614         associated types.  However, when associated types are explicitly
4615         listed as subitems of a class, we need some new syntax, as uppercase
4616         identifiers as subitems are usually data constructors, not type
4617         constructors.  To clarify that we denote types here, each associated
4618         type name needs to be prefixed by the keyword <literal>type</literal>.
4619         So for example, when explicitly listing the components of
4620         the <literal>GMapKey</literal> class, we write <literal>GMapKey(type
4621         GMap, empty, lookup, insert)</literal>. 
4622       </para>
4623     </sect4>
4624
4625     <sect4 id="data-family-impexp-examples">
4626       <title>Examples</title>
4627       <para>
4628         Assuming our running <literal>GMapKey</literal> class example, let us
4629         look at some export lists and their meaning: 
4630         <itemizedlist>
4631           <listitem>
4632             <para><literal>module GMap (GMapKey) where...</literal>: Exports
4633               just the class name.</para>
4634           </listitem>
4635           <listitem>
4636             <para><literal>module GMap (GMapKey(..)) where...</literal>:
4637               Exports the class, the associated type <literal>GMap</literal>
4638               and the member
4639               functions <literal>empty</literal>, <literal>lookup</literal>,
4640               and <literal>insert</literal>.  None of the data constructors is 
4641               exported.</para>
4642           </listitem> 
4643           <listitem>
4644             <para><literal>module GMap (GMapKey(..), GMap(..))
4645                 where...</literal>: As before, but also exports all the data
4646               constructors <literal>GMapInt</literal>, 
4647               <literal>GMapChar</literal>,  
4648               <literal>GMapUnit</literal>, <literal>GMapPair</literal>,
4649               and <literal>GMapUnit</literal>.</para>
4650           </listitem>
4651           <listitem>
4652             <para><literal>module GMap (GMapKey(empty, lookup, insert),
4653             GMap(..)) where...</literal>: As before.</para>
4654           </listitem>
4655           <listitem>
4656             <para><literal>module GMap (GMapKey, empty, lookup, insert, GMap(..))
4657                 where...</literal>: As before.</para>
4658           </listitem>
4659         </itemizedlist>
4660       </para>
4661       <para>
4662         Finally, you can write <literal>GMapKey(type GMap)</literal> to denote
4663         both the class <literal>GMapKey</literal> as well as its associated
4664         type <literal>GMap</literal>.  However, you cannot
4665         write <literal>GMapKey(type GMap(..))</literal> &mdash; i.e.,
4666         sub-component specifications cannot be nested.  To
4667         specify <literal>GMap</literal>'s data constructors, you have to list
4668         it separately. 
4669       </para>
4670     </sect4>
4671
4672     <sect4 id="data-family-impexp-instances">
4673       <title>Instances</title>
4674       <para>
4675         Family instances are implicitly exported, just like class instances.
4676         However, this applies only to the heads of instances, not to the data
4677         constructors an instance defines. 
4678       </para>
4679     </sect4>
4680
4681   </sect3>
4682
4683 </sect2>
4684
4685 <sect2 id="synonym-families">
4686   <title>Synonym families</title>
4687
4688   <para>
4689     Type families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4690     toplevel or (2) they can appear inside type classes (in which case they
4691     are known as associated type synonyms).  The former is the more general
4692     variant, as it lacks the requirement for the type-indexes to coincide with
4693     the class parameters.  However, the latter can lead to more clearly
4694     structured code and compiler warnings if some type instances were -
4695     possibly accidentally - omitted.  In the following, we always discuss the
4696     general toplevel form first and then cover the additional constraints
4697     placed on associated types.
4698   </para>
4699
4700   <sect3 id="type-family-declarations">
4701     <title>Type family declarations</title>
4702
4703     <para>
4704       Indexed type families are introduced by a signature, such as 
4705 <programlisting>
4706 type family Elem c :: *
4707 </programlisting>
4708       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4709       type declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4710       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is 
4711 <programlisting>
4712 type family Elem c
4713 </programlisting>
4714       Parameters can also be given explicit kind signatures if needed.  We
4715       call the number of parameters in a type family declaration, the family's
4716       arity, and all applications of a type family must be fully saturated
4717       w.r.t. to that arity.  This requirement is unlike ordinary type synonyms
4718       and it implies that the kind of a type family is not sufficient to
4719       determine a family's arity, and hence in general, also insufficient to
4720       determine whether a type family application is well formed.  As an
4721       example, consider the following declaration: 
4722 <programlisting>
4723 type family F a b :: * -> *   -- F's arity is 2, 
4724                               -- although its overall kind is * -> * -> * -> *
4725 </programlisting>
4726       Given this declaration the following are examples of well-formed and
4727       malformed types: 
4728 <programlisting>
4729 F Char [Int]       -- OK!  Kind: * -> *
4730 F Char [Int] Bool  -- OK!  Kind: *
4731 F IO Bool          -- WRONG: kind mismatch in the first argument
4732 F Bool             -- WRONG: unsaturated application
4733 </programlisting>
4734       </para>
4735
4736     <sect4 id="assoc-type-family-decl">
4737       <title>Associated type family declarations</title>
4738       <para>
4739         When a type family is declared as part of a type class, we drop
4740         the <literal>family</literal> special.  The <literal>Elem</literal>
4741         declaration takes the following form 
4742 <programlisting>
4743 class Collects ce where
4744   type Elem ce :: *
4745   ...
4746 </programlisting>
4747         The argument names of the type family must be class parameters.  Each
4748         class parameter may only be used at most once per associated type, but
4749         some may be omitted and they may be in an order other than in the
4750         class head.  Hence, the following contrived example is admissible: 
4751 <programlisting>
4752 class C a b c where
4753   type T c a :: *
4754 </programlisting>
4755         These rules are exactly as for associated data families.
4756       </para>
4757     </sect4>
4758   </sect3>
4759
4760   <sect3 id="type-instance-declarations">
4761     <title>Type instance declarations</title>
4762     <para>
4763       Instance declarations of type families are very similar to standard type
4764       synonym declarations.  The only two differences are that the
4765       keyword <literal>type</literal> is followed
4766       by <literal>instance</literal> and that some or all of the type
4767       arguments can be non-variable types, but may not contain forall types or
4768       type synonym families. However, data families are generally allowed, and
4769       type synonyms are allowed as long as they are fully applied and expand
4770       to a type that is admissible - these are the exact same requirements as
4771       for data instances.  For example, the <literal>[e]</literal> instance
4772       for <literal>Elem</literal> is 
4773 <programlisting>
4774 type instance Elem [e] = e
4775 </programlisting>
4776     </para>
4777     <para>
4778       Type family instance declarations are only legitimate when an
4779       appropriate family declaration is in scope - just like class instances
4780       require the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4781       declaration has to conform to the kind determined by its family
4782       declaration, and the number of type parameters in an instance
4783       declaration must match the number of type parameters in the family
4784       declaration.   Finally, the right-hand side of a type instance must be a
4785       monotype (i.e., it may not include foralls) and after the expansion of
4786       all saturated vanilla type synonyms, no synonyms, except family synonyms
4787       may remain.  Here are some examples of admissible and illegal type
4788       instances: 
4789 <programlisting>
4790 type family F a :: *
4791 type instance F [Int]              = Int         -- OK!
4792 type instance F String             = Char        -- OK!
4793 type instance F (F a)              = a           -- WRONG: type parameter mentions a type family
4794 type instance F (forall a. (a, b)) = b           -- WRONG: a forall type appears in a type parameter
4795 type instance F Float              = forall a.a  -- WRONG: right-hand side may not be a forall type
4796
4797 type family G a b :: * -> *
4798 type instance G Int            = (,)     -- WRONG: must be two type parameters
4799 type instance G Int Char Float = Double  -- WRONG: must be two type parameters
4800 </programlisting>
4801     </para>
4802
4803     <sect4 id="assoc-type-instance">
4804       <title>Associated type instance declarations</title>
4805       <para>
4806         When an associated family instance is declared within a type class
4807         instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the family
4808         instance.  So, the <literal>[e]</literal> instance
4809         for <literal>Elem</literal> becomes: 
4810 <programlisting>
4811 instance (Eq (Elem [e])) => Collects ([e]) where
4812   type Elem [e] = e
4813   ...
4814 </programlisting>
4815         The most important point about associated family instances is that the
4816         type indexes corresponding to class parameters must be identical to the
4817         type given in the instance head; here this is <literal>[e]</literal>,
4818         which coincides with the only class parameter. 
4819       </para>
4820       <para>
4821         Instances for an associated family can only appear as part of  instances
4822         declarations of the class in which the family was declared - just as
4823         with the equations of the methods of a class.  Also in correspondence to
4824         how methods are handled, declarations of associated types can be omitted
4825         in class instances.  If an associated family instance is omitted, the
4826         corresponding instance type is not inhabited; i.e., only diverging
4827         expressions, such as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4828       </para>
4829     </sect4>
4830
4831     <sect4 id="type-family-overlap">
4832       <title>Overlap of type synonym instances</title>
4833       <para>
4834         The instance declarations of a type family used in a single program
4835         may only overlap if the right-hand sides of the overlapping instances
4836         coincide for the overlapping types.  More formally, two instance
4837         declarations overlap if there is a substitution that makes the
4838         left-hand sides of the instances syntactically the same.  Whenever
4839         that is the case, the right-hand sides of the instances must also be
4840         syntactically equal under the same substitution.  This condition is
4841         independent of whether the type family is associated or not, and it is
4842         not only a matter of consistency, but one of type safety. 
4843       </para>
4844       <para>
4845         Here are two example to illustrate the condition under which overlap
4846         is permitted. 
4847 <programlisting>
4848 type instance F (a, Int) = [a]
4849 type instance F (Int, b) = [b]   -- overlap permitted
4850
4851 type instance G (a, Int)  = [a]
4852 type instance G (Char, a) = [a]  -- ILLEGAL overlap, as [Char] /= [Int]
4853 </programlisting>
4854       </para>
4855     </sect4>
4856
4857     <sect4 id="type-family-decidability">
4858       <title>Decidability of type synonym instances</title>
4859       <para>
4860         In order to guarantee that type inference in the presence of type
4861         families decidable, we need to place a number of additional
4862         restrictions on the formation of type instance declarations (c.f.,
4863         Definition 5 (Relaxed Conditions) of &ldquo;<ulink 
4864         url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4865           Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;).  Instance
4866           declarations have the general form 
4867 <programlisting>
4868 type instance F t1 .. tn = t
4869 </programlisting>
4870         where we require that for every type family application <literal>(G s1
4871         .. sm)</literal> in <literal>t</literal>,  
4872         <orderedlist>
4873           <listitem>
4874             <para><literal>s1 .. sm</literal> do not contain any type family
4875             constructors,</para>
4876           </listitem>
4877           <listitem>
4878             <para>the total number of symbols (data type constructors and type
4879             variables) in <literal>s1 .. sm</literal> is strictly smaller than
4880             in <literal>t1 .. tn</literal>, and</para> 
4881           </listitem>
4882           <listitem>
4883             <para>for every type
4884             variable <literal>a</literal>, <literal>a</literal> occurs
4885             in <literal>s1 .. sm</literal> at most as often as in <literal>t1
4886             .. tn</literal>.</para>
4887           </listitem>
4888         </orderedlist>
4889         These restrictions are easily verified and ensure termination of type
4890         inference.  However, they are not sufficient to guarantee completeness
4891         of type inference in the presence of, so called, ''loopy equalities'',
4892         such as <literal>a ~ [F a]</literal>, where a recursive occurrence of
4893         a type variable is underneath a family application and data
4894         constructor application - see the above mentioned paper for details.   
4895       </para>
4896       <para>
4897         If the option <option>-XUndecidableInstances</option> is passed to the
4898         compiler, the above restrictions are not enforced and it is on the
4899         programmer to ensure termination of the normalisation of type families
4900         during type inference. 
4901       </para>
4902     </sect4>
4903   </sect3>
4904
4905   <sect3 id-="equality-constraints">
4906     <title>Equality constraints</title>
4907     <para>
4908       Type context can include equality constraints of the form <literal>t1 ~
4909       t2</literal>, which denote that the types <literal>t1</literal>
4910       and <literal>t2</literal> need to be the same.  In the presence of type
4911       families, whether two types are equal cannot generally be decided
4912       locally.  Hence, the contexts of function signatures may include
4913       equality constraints, as in the following example: 
4914 <programlisting>
4915 sumCollects :: (Collects c1, Collects c2, Elem c1 ~ Elem c2) => c1 -> c2 -> c2
4916 </programlisting>
4917       where we require that the element type of <literal>c1</literal>
4918       and <literal>c2</literal> are the same.  In general, the
4919       types <literal>t1</literal> and <literal>t2</literal> of an equality
4920       constraint may be arbitrary monotypes; i.e., they may not contain any
4921       quantifiers, independent of whether higher-rank types are otherwise
4922       enabled. 
4923     </para>
4924     <para>
4925       Equality constraints can also appear in class and instance contexts.
4926       The former enable a simple translation of programs using functional
4927       dependencies into programs using family synonyms instead.  The general
4928       idea is to rewrite a class declaration of the form 
4929 <programlisting>
4930 class C a b | a -> b
4931 </programlisting>
4932       to
4933 <programlisting>
4934 class (F a ~ b) => C a b where
4935   type F a
4936 </programlisting>
4937       That is, we represent every functional dependency (FD) <literal>a1 .. an
4938       -> b</literal> by an FD type family <literal>F a1 .. an</literal> and a
4939       superclass context equality <literal>F a1 .. an ~ b</literal>,
4940       essentially giving a name to the functional dependency.  In class
4941       instances, we define the type instances of FD families in accordance
4942       with the class head.  Method signatures are not affected by that
4943       process. 
4944     </para>
4945     <para>
4946       NB: Equalities in superclass contexts are not fully implemented in
4947       GHC 6.10. 
4948     </para>
4949   </sect3>
4950
4951   <sect3 id-="ty-fams-in-instances">
4952     <title>Type families and instance declarations</title>
4953     <para>Type families require us to extend the rules for 
4954       the form of instance heads, which are given 
4955       in <xref linkend="flexible-instance-head"/>.
4956       Specifically:
4957 <itemizedlist>
4958  <listitem><para>Data type families may appear in an instance head</para></listitem>
4959  <listitem><para>Type synonym families may not appear (at all) in an instance head</para></listitem>
4960 </itemizedlist>
4961 The reason for the latter restriction is that there is no way to check for. Consider
4962 <programlisting>
4963    type family F a
4964    type instance F Bool = Int
4965
4966    class C a
4967
4968    instance C Int
4969    instance C (F a)
4970 </programlisting>
4971 Now a constraint <literal>(C (F Bool))</literal> would match both instances.
4972 The situation is especially bad because the type instance for <literal>F Bool</literal>
4973 might be in another module, or even in a module that is not yet written.
4974 </para>
4975 </sect3>
4976 </sect2>
4977
4978 </sect1>
4979
4980 <sect1 id="other-type-extensions">
4981 <title>Other type system extensions</title>
4982
4983 <sect2 id="explicit-foralls"><title>Explicit universal quantification (forall)</title>
4984 <para>
4985 Haskell type signatures are implicitly quantified.  When the language option <option>-XExplicitForAll</option>
4986 is used, the keyword <literal>forall</literal>
4987 allows us to say exactly what this means.  For example:
4988 </para>
4989 <para>
4990 <programlisting>
4991         g :: b -> b
4992 </programlisting>
4993 means this:
4994 <programlisting>
4995         g :: forall b. (b -> b)
4996 </programlisting>
4997 The two are treated identically.
4998 </para>
4999 <para>
5000 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
5001 a type variable any more!
5002 </para>
5003 </sect2>
5004
5005
5006 <sect2 id="flexible-contexts"><title>The context of a type signature</title>
5007 <para>
5008 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag lifts the Haskell 98 restriction
5009 that the type-class constraints in a type signature must have the 
5010 form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
5011 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>. 
5012 With <option>-XFlexibleContexts</option>
5013 these type signatures are perfectly OK
5014 <programlisting>
5015   g :: Eq [a] => ...
5016   g :: Ord (T a ()) => ...
5017 </programlisting>
5018 The flag <option>-XFlexibleContexts</option> also lifts the corresponding
5019 restriction on class declarations (<xref linkend="superclass-rules"/>) and instance declarations
5020 (<xref linkend="instance-rules"/>).
5021 </para>
5022
5023 <para>
5024 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
5025 Consider the type:
5026
5027 <programlisting>
5028   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
5029 </programlisting>
5030
5031 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
5032 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
5033 explicit source-language type signature are universally quantified,
5034 except for the class type variables in a class declaration.  However,
5035 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="explicit-foralls"/>).
5036 </para>
5037
5038 <para>
5039
5040 <orderedlist>
5041 <listitem>
5042
5043 <para>
5044  <emphasis>Each universally quantified type variable
5045 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
5046
5047 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it appears
5048 in the same constraint as either a type variable free in
5049 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
5050 A value with a type that does not obey 
5051 this reachability restriction cannot be used without introducing
5052 ambiguity; that is why the type is rejected.
5053 Here, for example, is an illegal type:
5054
5055
5056 <programlisting>
5057   forall a. Eq a => Int
5058 </programlisting>
5059
5060
5061 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
5062 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
5063 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
5064 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
5065 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
5066 get any more information about <literal>tv</literal>.
5067 </para>
5068 <para>
5069 Note
5070 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
5071 functionally dependent on a type variable free in
5072 <literal>type</literal> (see <xref
5073 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
5074 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
5075 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
5076 For example, consider:
5077 <programlisting>
5078   class C a b | a -> b where ...
5079   class C a b => D a b where ...
5080   f :: forall a b. D a b => a -> a
5081 </programlisting>
5082 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
5083 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
5084 </para>
5085 </listitem>
5086 <listitem>
5087
5088 <para>
5089  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
5090 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
5091
5092 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
5093 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
5094
5095
5096 <programlisting>
5097   forall a. C a b => burble
5098 </programlisting>
5099
5100
5101 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
5102 mention <literal>a</literal>:
5103
5104
5105 <programlisting>
5106   forall a. Eq b => burble
5107 </programlisting>
5108
5109
5110 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
5111 excluded types are never useful or necessary (because the offending
5112 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
5113 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
5114 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
5115 territory free in case we need it later.
5116
5117 </para>
5118 </listitem>
5119
5120 </orderedlist>
5121
5122 </para>
5123
5124 </sect2>
5125
5126 <sect2 id="implicit-parameters">
5127 <title>Implicit parameters</title>
5128
5129 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
5130 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
5131 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
5132 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
5133 Boston, Jan 2000.
5134 </para>
5135
5136 <para>(Most of the following, still rather incomplete, documentation is
5137 due to Jeff Lewis.)</para>
5138
5139 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
5140 <option>-XImplicitParams</option>.</para>
5141
5142 <para>
5143 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
5144 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
5145 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
5146 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
5147 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
5148 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
5149 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
5150 only support static scoping of variables.
5151 </para>
5152 <para>
5153 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
5154 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
5155 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
5156 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
5157 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
5158 of type <literal>t'</literal>". For
5159 example, the following expresses the type of a sort function,
5160 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
5161 <programlisting>
5162   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
5163 </programlisting>
5164 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
5165 </para>
5166 <para>
5167 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
5168 where <literal>x</literal> is
5169 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
5170 Use of this construct also introduces a new
5171 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
5172 For example, the following definition
5173 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
5174 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
5175 <programlisting>
5176   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
5177
5178   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
5179   sort    = sortBy ?cmp
5180 </programlisting>
5181 </para>
5182
5183 <sect3>
5184 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
5185 <para>
5186 Dynamic binding constraints behave just like other type class
5187 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
5188 function is used, its implicit parameters are inherited by the
5189 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
5190 to pick out the least value in a list:
5191 <programlisting>
5192   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
5193   least xs = head (sort xs)
5194 </programlisting>
5195 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
5196 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
5197 parameters, the default is that parameters must always be explicit
5198 propagated. With implicit parameters, the default is to always
5199 propagate them.
5200 </para>
5201 <para>
5202 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
5203 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
5204 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
5205 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
5206 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
5207 class constraints.
5208 </para>
5209
5210 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
5211 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
5212 <programlisting>
5213   class (?x::Int) => C a where ...
5214   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
5215 </programlisting>
5216 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
5217 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
5218 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
5219 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
5220 <para>
5221 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
5222 <programlisting>
5223    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
5224    f n = n + length ?x
5225
5226    g :: (Read a, Show a) => String -> String
5227    g s = show (read s)
5228 </programlisting>
5229 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
5230 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
5231 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
5232 </para>
5233 </sect3>
5234
5235 <sect3>
5236 <title>Implicit-parameter bindings</title>
5237
5238 <para>
5239 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
5240 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
5241 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
5242 <literal>cmp</literal>.
5243 <programlisting>
5244   min :: [a] -> a
5245   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
5246 </programlisting>
5247 </para>
5248 <para>
5249 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
5250 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
5251 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
5252 or a <literal>where</literal> clause.
5253 Note the following points:
5254 <itemizedlist>
5255 <listitem><para>
5256 An implicit-parameter binding group must be a
5257 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
5258 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
5259 neither polymorphic or recursive.  
5260 </para></listitem>
5261 <listitem><para>
5262 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
5263 single <literal>let</literal>
5264 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
5265 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
5266 </para></listitem>
5267
5268 <listitem><para>
5269 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
5270 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
5271 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
5272 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
5273 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
5274 the meaning of the program.
5275 For example, consider:
5276 <programlisting>
5277   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
5278 </programlisting>
5279 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
5280 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
5281 <programlisting>
5282   f :: (?x::Int) => Int -> Int
5283 </programlisting>
5284 </para></listitem>
5285 </itemizedlist>
5286 </para>
5287
5288 </sect3>
5289
5290 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
5291
5292 <para>
5293 Consider these two definitions:
5294 <programlisting>
5295   len1 :: [a] -> Int
5296   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
5297
5298   len_acc1 [] = ?acc
5299   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
5300
5301   ------------
5302
5303   len2 :: [a] -> Int
5304   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
5305
5306   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
5307   len_acc2 [] = ?acc
5308   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
5309 </programlisting>
5310 The only difference between the two groups is that in the second group
5311 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
5312 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
5313 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
5314 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
5315 has a type signature, the recursive call is made to the
5316 <emphasis>polymorphic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
5317 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
5318 <programlisting>
5319   Prog> len1 "hello"
5320   0
5321   Prog> len2 "hello"
5322   5
5323 </programlisting>
5324 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
5325 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
5326 </para>
5327 </sect3>
5328
5329 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
5330
5331 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
5332 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
5333 <programlisting>
5334  f :: Int -> Int
5335   f v = let ?x = 0     in
5336         let y = ?x + v in
5337         let ?x = 5     in
5338         y
5339 </programlisting>
5340 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
5341 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
5342 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
5343 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
5344 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
5345 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
5346 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
5347 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
5348 <literal>14</literal>.
5349 </para>
5350 </sect3>
5351 </sect2>
5352
5353     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
5354
5355     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
5356     them from the 6.6 user manual
5357
5358 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
5359 <title>Linear implicit parameters</title>
5360 <para>
5361 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
5362 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
5363 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
5364 </para>
5365 <itemizedlist>
5366 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
5367 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
5368 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
5369 </itemizedlist>
5370
5371 <para>
5372 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
5373 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
5374 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
5375 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
5376 (The '/' in the '%' suggests the split!)
5377 </para>
5378 <para>
5379 For example:
5380 <programlisting>
5381     import GHC.Exts( Splittable )
5382
5383     data NameSupply = ...
5384     
5385     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
5386     newName :: NameSupply -> Name
5387
5388     instance Splittable NameSupply where
5389         split = splitNS
5390
5391
5392     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5393     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5394                     where
5395                       x'   = newName %ns
5396                       env' = extend env x x'
5397     ...more equations for f...
5398 </programlisting>
5399 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
5400 <itemizedlist>
5401 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
5402 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
5403 </itemizedlist>
5404 </para>
5405 <para>
5406 So the translation done by the type checker makes
5407 the parameter explicit:
5408 <programlisting>
5409     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
5410     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
5411                        where
5412                          (ns1,ns2) = splitNS ns
5413                          x' = newName ns2
5414                          env = extend env x x'
5415 </programlisting>
5416 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
5417 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
5418 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
5419 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
5420 <programlisting>
5421         class Splittable a where
5422           split :: a -> (a,a)
5423 </programlisting>
5424 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
5425 split for name supplies.  But we can simply write
5426 <programlisting>
5427         g x = (x, %ns, %ns)
5428 </programlisting>
5429 and GHC will infer
5430 <programlisting>
5431         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
5432 </programlisting>
5433 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
5434 <literal>GHC.Exts</literal>.
5435 </para>
5436 <para>
5437 Other points:
5438 <itemizedlist>
5439 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
5440 are entirely distinct implicit parameters: you 
5441   can use them together and they won't interfere with each other. </para>
5442 </listitem>
5443
5444 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
5445
5446 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
5447   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
5448 </itemizedlist>
5449 </para>
5450
5451 <sect3><title>Warnings</title>
5452
5453 <para>
5454 The monomorphism restriction is even more important than usual.
5455 Consider the example above:
5456 <programlisting>
5457     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5458     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5459                     where
5460                       x'   = newName %ns
5461                       env' = extend env x x'
5462 </programlisting>
5463 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
5464 usually a harmless thing to do, we get:
5465 <programlisting>
5466     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5467     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
5468                     where
5469                       env' = extend env x (newName %ns)
5470 </programlisting>
5471 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
5472 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
5473 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
5474 the beta rule.
5475 </para>
5476 <para>
5477 Well, this is an experimental change.  With implicit
5478 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
5479 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
5480 Haskell programs without knowing their typing.
5481 </para>
5482
5483 </sect3>
5484
5485 <sect3><title>Recursive functions</title>
5486 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
5487 Consider
5488 <programlisting>
5489         foo :: %x::T => Int -> [Int]
5490         foo 0 = []
5491         foo n = %x : foo (n-1)
5492 </programlisting>
5493 where T is some type in class Splittable.</para>
5494 <para>
5495 Do you get a list of all the same T's or all different T's
5496 (assuming that split gives two distinct T's back)?
5497 </para><para>
5498 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
5499 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
5500 translated term, where the implicit param is made explicit:
5501 <programlisting>
5502         foo x 0 = []
5503         foo x n = let (x1,x2) = split x
5504                   in x1 : foo x2 (n-1)
5505 </programlisting>
5506 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
5507 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
5508 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
5509 work.  So the translation becomes
5510 <programlisting>
5511         foo x = let
5512                   foom 0 = []
5513                   foom n = x : foom (n-1)
5514                 in
5515                 foom
5516 </programlisting>
5517 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
5518 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
5519 Yikes!
5520 </para><para>
5521 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
5522 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
5523 </para>
5524 </sect3>
5525
5526 </sect2>
5527
5528 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
5529
5530 <sect2 id="kinding">
5531 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
5532
5533 <para>
5534 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
5535 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
5536 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
5537 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
5538 John Hughes had to define the data type:
5539 <screen>
5540      data Set cxt a = Set [a]
5541                     | Unused (cxt a -> ())
5542 </screen>
5543 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
5544 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
5545 </para>
5546 <para>
5547 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
5548 a type variable is explicitly bound, with the flag <option>-XKindSignatures</option>.
5549 </para>
5550 <para>
5551 This flag enables kind signatures in the following places:
5552 <itemizedlist>
5553 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
5554 <screen>
5555   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
5556 </screen></para></listitem>
5557 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
5558 <screen>
5559   type T (f :: * -> *) = f Int
5560 </screen></para></listitem>
5561 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
5562 <screen>
5563   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
5564 </screen></para></listitem>
5565 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
5566 <screen>
5567   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
5568 </screen></para></listitem>
5569 </itemizedlist>
5570 </para>
5571
5572 <para>
5573 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
5574 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
5575 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
5576 single lexeme in Haskell.
5577 </para>
5578
5579 <para>
5580 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
5581 as well.  Thus:
5582 <screen>
5583    f :: (Int :: *) -> Int
5584    g :: forall a. a -> (a :: *)
5585 </screen>
5586 The syntax is
5587 <screen>
5588    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
5589 </screen>
5590 The parentheses are required.
5591 </para>
5592 </sect2>
5593
5594
5595 <sect2 id="universal-quantification">
5596 <title>Arbitrary-rank polymorphism
5597 </title>
5598
5599 <para>
5600 GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
5601 explicit universal quantification in
5602 types. 
5603 For example, all the following types are legal:
5604 <programlisting>
5605     f1 :: forall a b. a -> b -> a
5606     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
5607
5608     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
5609     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
5610
5611     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
5612
5613     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
5614 </programlisting>
5615 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
5616 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
5617 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
5618 is implicitly added by Haskell.
5619 </para>
5620 <para>
5621 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
5622 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
5623 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
5624 </para>
5625 <para>
5626 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
5627 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
5628 </para>
5629 <para>
5630 GHC has three flags to control higher-rank types:
5631 <itemizedlist>
5632 <listitem><para>
5633  <option>-XPolymorphicComponents</option>: data constructors (only) can have polymorphic argument types.
5634 </para></listitem>
5635 <listitem><para>
5636  <option>-XRank2Types</option>: any function (including data constructors) can have a rank-2 type.
5637 </para></listitem>
5638 <listitem><para>
5639  <option>-XRankNTypes</option>: any function (including data constructors) can have an arbitrary-rank type.
5640 That is,  you can nest <literal>forall</literal>s
5641 arbitrarily deep in function arrows.
5642 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
5643 including an operational type class context, is legal:
5644 <itemizedlist>
5645 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
5646 of a function arrow </para> </listitem>
5647 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
5648 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
5649 field type signatures.</para> </listitem>
5650 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
5651 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
5652 </itemizedlist>
5653 </para></listitem>
5654 </itemizedlist>
5655 </para>
5656
5657
5658 <sect3 id="univ">
5659 <title>Examples
5660 </title>
5661
5662 <para>
5663 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
5664 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
5665 </para>
5666
5667 <para>
5668
5669 <programlisting>
5670 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
5671
5672 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
5673                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
5674                         }
5675
5676 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
5677 </programlisting>
5678
5679 </para>
5680
5681 <para>
5682 The constructors have rank-2 types:
5683 </para>
5684
5685 <para>
5686
5687 <programlisting>
5688 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
5689 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
5690                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
5691                   -> MonadT m
5692 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
5693 </programlisting>
5694
5695 </para>
5696
5697 <para>
5698 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
5699 explicit context.  For example in the first argument of the
5700 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
5701 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
5702 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
5703 mentioned in the type quantified over.
5704 </para>
5705
5706 <para>
5707 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
5708 types too.  So if you write this:
5709
5710 <programlisting>
5711   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
5712 </programlisting>
5713
5714 it's just as if you had written this:
5715
5716 <programlisting>
5717   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
5718 </programlisting>
5719
5720 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
5721 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
5722 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
5723 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
5724 </para>
5725
5726 <para>
5727 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
5728 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
5729 </para>
5730
5731 <para>
5732
5733 <programlisting>
5734     a1 :: T Int
5735     a1 = T1 (\xy->x) 3
5736     
5737     a2, a3 :: Swizzle
5738     a2 = MkSwizzle sort
5739     a3 = MkSwizzle reverse
5740     
5741     a4 :: MonadT Maybe
5742     a4 = let r x = Just x
5743              b m k = case m of
5744                        Just y -> k y
5745                        Nothing -> Nothing
5746          in
5747          MkMonad r b
5748
5749     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
5750     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
5751 </programlisting>
5752
5753 </para>
5754
5755 <para>
5756 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
5757 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
5758 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
5759 </para>
5760
5761 <para>
5762 When you use pattern matching, the bound variables may now have
5763 polymorphic types.  For example:
5764 </para>
5765
5766 <para>
5767
5768 <programlisting>
5769     f :: T a -> a -> (a, Char)
5770     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5771
5772     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
5773     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
5774
5775     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
5776     h m [] = return m []
5777     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
5778                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
5779                  return m (y:ys)
5780 </programlisting>
5781
5782 </para>
5783
5784 <para>
5785 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
5786 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
5787 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
5788 matching.
5789 </para>
5790 </sect3>
5791
5792 <sect3>
5793 <title>Type inference</title>
5794
5795 <para>
5796 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
5797 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
5798 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
5799 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
5800 </para>
5801 <para>
5802 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
5803 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
5804 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
5805 </para>
5806 <para>
5807 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
5808 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
5809 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
5810 <programlisting>
5811      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
5812 </programlisting>
5813 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
5814 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
5815 <programlisting>
5816      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5817 </programlisting>
5818 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
5819 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
5820 one can give a type signature for the function itself:
5821 <programlisting>
5822      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5823      h f = (f True, f 'c')
5824 </programlisting>
5825 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
5826 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
5827 <programlisting>
5828     f :: T a -> a -> (a, Char)
5829     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5830 </programlisting>
5831 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
5832 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
5833 it needs to know.
5834 </para>
5835
5836 </sect3>
5837
5838
5839 <sect3 id="implicit-quant">
5840 <title>Implicit quantification</title>
5841
5842 <para>
5843 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
5844 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
5845 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
5846 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
5847 equivalent:
5848 <programlisting>
5849   f :: a -> a
5850   f :: forall a. a -> a
5851
5852   g (x::a) = let
5853                 h :: a -> b -> b
5854                 h x y = y
5855              in ...
5856   g (x::a) = let
5857                 h :: forall b. a -> b -> b
5858                 h x y = y
5859              in ...
5860 </programlisting>
5861 </para>
5862 <para>
5863 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
5864 point.  For example:
5865 <programlisting>
5866   f :: (a -> a) -> Int
5867            -- MEANS
5868   f :: forall a. (a -> a) -> Int
5869            -- NOT
5870   f :: (forall a. a -> a) -> Int
5871
5872
5873   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
5874            -- MEANS the illegal type
5875   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
5876            -- NOT
5877   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
5878 </programlisting>
5879 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
5880 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
5881 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
5882 for rank-2 types.
5883 </para>
5884 </sect3>
5885 </sect2>
5886
5887
5888 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
5889 <title>Impredicative polymorphism
5890 </title>
5891 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>, 
5892 enabled with <option>-XImpredicativeTypes</option>.  
5893 This means
5894 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
5895 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
5896 <programlisting>
5897   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
5898   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
5899   f Nothing  = Nothing
5900 </programlisting>
5901 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
5902 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
5903 [a])</literal>.
5904 </para>
5905 <para>The technical details of this extension are described in the paper
5906 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy/">Boxy types:
5907 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
5908 which appeared at ICFP 2006.  
5909 </para>
5910 </sect2>
5911
5912 <sect2 id="scoped-type-variables">
5913 <title>Lexically scoped type variables
5914 </title>
5915
5916 <para>
5917 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
5918 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
5919 <programlisting>
5920 f :: forall a. [a] -> [a]
5921 f xs = ys ++ ys
5922      where
5923        ys :: [a]
5924        ys = reverse xs
5925 </programlisting>
5926 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope,
5927 because of the explicit <literal>forall</literal> (<xref linkend="decl-type-sigs"/>).
5928 The type variables bound by a <literal>forall</literal> scope over
5929 the entire definition of the accompanying value declaration.
5930 In this example, the type variable <literal>a</literal> scopes over the whole 
5931 definition of <literal>f</literal>, including over
5932 the type signature for <varname>ys</varname>. 
5933 In Haskell 98 it is not possible to declare
5934 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
5935 it becomes possible to do so.
5936 </para>
5937 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
5938 <option>-XScopedTypeVariables</option>.  This flag implies <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
5939 </para>
5940 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
5941 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
5942 carefully!</para>
5943
5944 <sect3>
5945 <title>Overview</title>
5946
5947 <para>The design follows the following principles
5948 <itemizedlist>
5949 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
5950 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
5951 design.)</para></listitem>
5952 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
5953 type variables.  This means that every programmer-written type signature
5954 (including one that contains free scoped type variables) denotes a
5955 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
5956 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
5957 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
5958 changing the program.</para></listitem>
5959 </itemizedlist>
5960 </para>
5961 <para>
5962 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
5963 <itemizedlist>
5964 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
5965 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
5966 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
5967 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
5968 </itemizedlist>
5969 </para>
5970 <para>
5971 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantified over
5972 its free type variables (<ulink
5973 url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
5974 4.1.2</ulink> 
5975 of the Haskell Report).
5976 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
5977 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
5978 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
5979 then
5980 <programlisting>
5981   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
5982   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
5983   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
5984 </programlisting>
5985 </para>
5986
5987
5988 </sect3>
5989
5990
5991 <sect3 id="decl-type-sigs">
5992 <title>Declaration type signatures</title>
5993 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5994 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5995 explicitly-quantified
5996 type variables, in the definition of the named function.  For example:
5997 <programlisting>
5998   f :: forall a. [a] -> [a]
5999   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
6000 </programlisting>
6001 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
6002 the definition of "<literal>f</literal>".
6003 </para>
6004 <para>This only happens if:
6005 <itemizedlist>
6006 <listitem><para> The quantification in <literal>f</literal>'s type
6007 signature is explicit.  For example:
6008 <programlisting>
6009   g :: [a] -> [a]
6010   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
6011 </programlisting>
6012 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
6013 over the definition of "<literal>g</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
6014 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
6015 quantification rules.
6016 </para></listitem>
6017 <listitem><para> The signature gives a type for a function binding or a bare variable binding, 
6018 not a pattern binding.
6019 For example:
6020 <programlisting>
6021   f1 :: forall a. [a] -> [a]
6022   f1 (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]   -- OK
6023
6024   f2 :: forall a. [a] -> [a]
6025   f2 = \(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ]   -- OK
6026
6027   f3 :: forall a. [a] -> [a] 
6028   Just f3 = Just (\(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ])   -- Not OK!
6029 </programlisting>
6030 The binding for <literal>f3</literal> is a pattern binding, and so its type signature
6031 does not bring <literal>a</literal> into scope.   However <literal>f1</literal> is a
6032 function binding, and <literal>f2</literal> binds a bare variable; in both cases
6033 the type signature brings <literal>a</literal> into scope.
6034 </para></listitem>
6035 </itemizedlist>
6036 </para>
6037 </sect3>
6038
6039 <sect3 id="exp-type-sigs">
6040 <title>Expression type signatures</title>
6041
6042 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
6043 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
6044 explicitly-quantified
6045 type variables, in the annotated expression.  For example:
6046 <programlisting>
6047   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
6048 </programlisting>
6049 Here, the type signature <literal>forall s. ST s Bool</literal> brings the 
6050 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
6051 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
6052 </para>
6053
6054 </sect3>
6055
6056 <sect3 id="pattern-type-sigs">
6057 <title>Pattern type signatures</title>
6058 <para>
6059 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
6060 signature</emphasis>. 
6061 For example:
6062 <programlisting>
6063   -- f and g assume that 'a' is already in scope
6064   f = \(x::Int, y::a) -> x
6065   g (x::a) = x
6066   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
6067 </programlisting>
6068 In the case where all the type variables in the pattern type signature are
6069 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
6070 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
6071 </para>
6072 <para>
6073 Unlike expression and declaration type signatures, pattern type signatures are not implicitly generalised.
6074 The pattern in a <emphasis>pattern binding</emphasis> may only mention type variables
6075 that are already in scope.  For example:
6076 <programlisting>
6077   f :: forall a. [a] -> (Int, [a])
6078   f xs = (n, zs)
6079     where
6080       (ys::[a], n) = (reverse xs, length xs) -- OK
6081       zs::[a] = xs ++ ys                     -- OK
6082
6083       Just (v::b) = ...  -- Not OK; b is not in scope
6084 </programlisting>
6085 Here, the pattern signatures for <literal>ys</literal> and <literal>zs</literal>
6086 are fine, but the one for <literal>v</literal> is not because <literal>b</literal> is
6087 not in scope. 
6088 </para>
6089 <para>
6090 However, in all patterns <emphasis>other</emphasis> than pattern bindings, a pattern
6091 type signature may mention a type variable that is not in scope; in this case,
6092 <emphasis>the signature brings that type variable into scope</emphasis>.
6093 This is particularly important for existential data constructors.  For example:
6094 <programlisting>
6095   data T = forall a. MkT [a]
6096
6097   k :: T -> T
6098   k (MkT [t::a]) = MkT t3
6099                  where
6100                    t3::[a] = [t,t,t]
6101 </programlisting>
6102 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
6103 variable that is not already in scope.  Indeed, it <emphasis>cannot</emphasis> already be in scope,
6104 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
6105 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
6106 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
6107 existentially-bound type variable.
6108 </para>
6109 <para>
6110 When a pattern type signature binds a type variable in this way, GHC insists that the 
6111 type variable is bound to a <emphasis>rigid</emphasis>, or fully-known, type variable.
6112 This means that any user-written type signature always stands for a completely known type.
6113 </para>
6114 <para>
6115 If all this seems a little odd, we think so too.  But we must have
6116 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
6117 could not name existentially-bound type variables in subsequent type signatures.
6118 </para>
6119 <para>
6120 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
6121 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
6122 scope.
6123 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
6124 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
6125 </para>
6126
6127
6128 </sect3>
6129
6130 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
6131
6132 <sect3 id="result-type-sigs">
6133 <title>Result type signatures</title>
6134
6135 <para>
6136 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
6137
6138 <programlisting>
6139   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
6140   f x y :: [a] = [x,y,x]
6141
6142   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
6143
6144   h :: forall a. [a] -> a
6145   h xs = case xs of
6146             (y:ys) :: a -> y
6147 </programlisting>
6148 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
6149 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
6150 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
6151 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
6152 </para>
6153 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
6154 <para>
6155 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
6156 examples would parse quite differently with parentheses:
6157 <programlisting>
6158   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
6159   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
6160
6161   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
6162
6163   h :: forall a. [a] -> a
6164   h xs = case xs of
6165             ((y:ys) :: a) -> y
6166 </programlisting>
6167 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
6168 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
6169 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
6170
6171 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
6172 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
6173 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
6174 consider how one would parse this:
6175 <programlisting>
6176   \ x :: a -> b -> x
6177 </programlisting>
6178 </para>
6179 </sect3>
6180
6181  -->
6182
6183 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
6184 <title>Class and instance declarations</title>
6185 <para>
6186
6187 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
6188 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
6189
6190
6191 <programlisting>
6192   class C a where
6193     op :: [a] -> a
6194
6195     op xs = let ys::[a]
6196                 ys = reverse xs
6197             in
6198             head ys
6199 </programlisting>
6200 </para>
6201 </sect3>
6202
6203 </sect2>
6204
6205
6206 <sect2 id="typing-binds">
6207 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
6208
6209 <para>
6210 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
6211 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
6212 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
6213 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
6214 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
6215 As each group is type-checked, any binders of the group that
6216 have
6217 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
6218 polymorphic type,
6219 and all others are monomorphic until the group is generalised 
6220 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
6221 </para>
6222
6223 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
6224 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/424440.html">Typing Haskell in
6225 Haskell</ulink>,
6226 GHC implements a more general scheme.  If <option>-XRelaxedPolyRec</option> is
6227 specified:
6228 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
6229 type signature</emphasis>.
6230 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
6231 typecheck.  For example, consider:
6232 <programlisting>
6233   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
6234   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
6235   
6236   g y = (y &lt;= y) || f True
6237 </programlisting>
6238 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
6239 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
6240 <literal>f</literal>,
6241 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
6242 hand side is ignored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
6243 type is generalised, to get
6244 <programlisting>
6245   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
6246 </programlisting>
6247 Now, the definition for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
6248 <literal>g</literal> in the type environment.
6249 </para>
6250
6251 <para>
6252 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
6253 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
6254 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
6255 <option>-XRelaxedPolyRec</option>
6256 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
6257 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
6258 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
6259 <programlisting>
6260   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
6261   f x = (x == x) || g True
6262   
6263   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
6264   g y = (y &lt;= y) || f True
6265 </programlisting>
6266 </para>
6267 </sect2>
6268
6269 <sect2 id="mono-local-binds">
6270 <title>Monomorphic local bindings</title>
6271 <para>
6272 We are actively thinking of simplifying GHC's type system, by <emphasis>not generalising local bindings</emphasis>.
6273 The rationale is described in the paper 
6274 <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/constraints/index.htm">Let should not be generalised</ulink>.
6275 </para>
6276 <para>
6277 The experimental new behaviour is enabled by the flag <option>-XMonoLocalBinds</option>.  The effect is
6278 that local (that is, non-top-level) bindings without a type signature are not generalised at all.  You can
6279 think of it as an extreme (but much more predictable) version of the Monomorphism Restriction.
6280 If you supply a type signature, then the flag has no effect.
6281 </para>
6282 </sect2>
6283
6284 </sect1>
6285 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
6286   
6287 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
6288
6289 <sect1 id="template-haskell">
6290 <title>Template Haskell</title>
6291
6292 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
6293 Haskell.  
6294 The background to
6295 the main technical innovations is discussed in "<ulink
6296 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/">
6297 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
6298 </para>
6299 <para>
6300 There is a Wiki page about
6301 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6302 http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell</ulink>, and that is the best place to look for
6303 further details.
6304 You may also 
6305 consult the <ulink
6306 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
6307 Haskell library reference material</ulink> 
6308 (look for module <literal>Language.Haskell.TH</literal>).
6309 Many changes to the original design are described in 
6310       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/notes2.ps">
6311 Notes on Template Haskell version 2</ulink>.
6312 Not all of these changes are in GHC, however.
6313 </para>
6314
6315 <para> The first example from that paper is set out below (<xref linkend="th-example"/>) 
6316 as a worked example to help get you started. 
6317 </para>
6318
6319 <para>
6320 The documentation here describes the realisation of Template Haskell in GHC.  It is not detailed enough to 
6321 understand Template Haskell; see the <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6322 Wiki page</ulink>.
6323 </para>
6324
6325     <sect2>
6326       <title>Syntax</title>
6327
6328       <para> Template Haskell has the following new syntactic
6329       constructions.  You need to use the flag
6330       <option>-XTemplateHaskell</option>
6331         <indexterm><primary><option>-XTemplateHaskell</option></primary>
6332       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
6333       (<option>-XTemplateHaskell</option> is no longer implied by
6334       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
6335
6336         <itemizedlist>
6337               <listitem><para>
6338                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
6339                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
6340                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
6341                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
6342                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
6343                   </para>
6344               <para> A splice can occur in place of 
6345                   <itemizedlist>
6346                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
6347                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
6348                     <listitem><para> an type; the spliced expression must
6349                     have type <literal>Q Typ</literal></para></listitem>
6350                     <listitem><para> a list of top-level declarations; the spliced expression 
6351                     must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
6352                     </itemizedlist>
6353             Note that pattern splices are not supported.
6354             Inside a splice you can can only call functions defined in imported modules,
6355             not functions defined elsewhere in the same module.</para></listitem>
6356
6357               <listitem><para>
6358                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
6359                   <itemizedlist>
6360                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, or <literal>[e| ... |]</literal>, 
6361                              where the "..." is an expression; 
6362                              the quotation has type <literal>Q Exp</literal>.</para></listitem>
6363                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
6364                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
6365                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;
6366                              the quotation has type <literal>Q Type</literal>.</para></listitem>
6367                     <listitem><para> <literal>[p| ... |]</literal>, where the "..." is a pattern;
6368                              the quotation has type <literal>Q Pat</literal>.</para></listitem>
6369                   </itemizedlist></para></listitem>
6370
6371               <listitem><para>
6372                   A quasi-quotation can appear in either a pattern context or an
6373                   expression context and is also written in Oxford brackets:
6374                   <itemizedlist>
6375                     <listitem><para> <literal>[<replaceable>varid</replaceable>| ... |]</literal>,
6376                         where the "..." is an arbitrary string; a full description of the
6377                         quasi-quotation facility is given in <xref linkend="th-quasiquotation"/>.</para></listitem>
6378                   </itemizedlist></para></listitem>
6379
6380               <listitem><para>
6381                   A name can be quoted with either one or two prefix single quotes:
6382                   <itemizedlist>
6383                     <listitem><para> <literal>'f</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the function <literal>f</literal>.
6384                   Similarly <literal>'C</literal> has type <literal>Name</literal> and names the data constructor <literal>C</literal>.
6385                   In general <literal>'</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in an expression context.
6386                      </para></listitem> 
6387                     <listitem><para> <literal>''T</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the type constructor  <literal>T</literal>.
6388                   That is, <literal>''</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in a type context.
6389                      </para></listitem> 
6390                   </itemizedlist>
6391                   These <literal>Names</literal> can be used to construct Template Haskell expressions, patterns, declarations etc.  They
6392                   may also be given as an argument to the <literal>reify</literal> function.
6393                  </para>
6394                 </listitem>
6395
6396               <listitem><para> You may omit the <literal>$(...)</literal> in a top-level declaration splice. 
6397               Simply writing an expression (rather than a declaration) implies a splice.  For example, you can write
6398 <programlisting>
6399 module Foo where
6400 import Bar
6401
6402 f x = x
6403
6404 $(deriveStuff 'f)   -- Uses the $(...) notation
6405
6406 g y = y+1
6407
6408 deriveStuff 'g      -- Omits the $(...)
6409
6410 h z = z-1
6411 </programlisting>
6412             This abbreviation makes top-level declaration slices quieter and less intimidating.
6413             </para></listitem>
6414
6415                   
6416         </itemizedlist>
6417 (Compared to the original paper, there are many differences of detail.
6418 The syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>".
6419 The type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>.
6420 Pattern splices and quotations are not implemented.)
6421
6422 </sect2>
6423
6424 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
6425 <para>
6426 <itemizedlist>
6427     <listitem><para>
6428     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
6429     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
6430     </para></listitem>
6431
6432     <listitem><para>
6433     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
6434             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
6435             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
6436    </para></listitem>
6437
6438    <listitem><para>
6439    You can only run a function at compile time if it is imported
6440    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
6441    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  Furthermore, all of the modules of 
6442    the mutually-recursive group must be reachable by non-SOURCE imports from the module where the
6443    splice is to be run.</para>
6444    <para>
6445    For example, when compiling module A,
6446    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
6447    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
6448    </para></listitem>
6449
6450     <listitem><para>
6451             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
6452    </para></listitem>
6453     <listitem><para>
6454             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
6455               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
6456               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
6457               the program it compiles produces results whose representations are identical to
6458               those of the compiler itself.
6459    </para></listitem>
6460 </itemizedlist>
6461 </para>
6462 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
6463         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
6464         has been lifted.
6465 </para>
6466 </sect2>
6467  
6468 <sect2 id="th-example">  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
6469 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
6470   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
6471
6472 <programlisting>
6473
6474 {- Main.hs -}
6475 module Main where
6476
6477 -- Import our template "pr"
6478 import Printf ( pr )
6479
6480 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
6481 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
6482 -- the argument of "putStrLn".
6483 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
6484
6485
6486 {- Printf.hs -}
6487 module Printf where
6488
6489 -- Skeletal printf from the paper.
6490 -- It needs to be in a separate module to the one where
6491 -- you intend to use it.
6492
6493 -- Import some Template Haskell syntax
6494 import Language.Haskell.TH
6495
6496 -- Describe a format string
6497 data Format = D | S | L String
6498
6499 -- Parse a format string.  This is left largely to you
6500 -- as we are here interested in building our first ever
6501 -- Template Haskell program and not in building printf.
6502 parse :: String -> [Format]
6503 parse s   = [ L s ]
6504
6505 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
6506 -- of the format string.  This code will be spliced into
6507 -- the module which calls "pr", at compile time.
6508 gen :: [Format] -> Q Exp
6509 gen [D]   = [| \n -> show n |]
6510 gen [S]   = [| \s -> s |]
6511 gen [L s] = stringE s
6512
6513 -- Here we generate the Haskell code for the splice
6514 -- from an input format string.
6515 pr :: String -> Q Exp
6516 pr s = gen (parse s)
6517 </programlisting>
6518
6519 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
6520 </para>
6521 <programlisting>
6522 $ ghc --make -XTemplateHaskell main.hs -o main.exe
6523 </programlisting>
6524
6525 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
6526
6527 <programlisting>
6528 $ ./main
6529 Hello
6530 </programlisting>
6531
6532 </sect2>
6533
6534 <sect2>
6535 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
6536 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
6537  
6538 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
6539 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
6540 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
6541 itself is running; this means that the compiled code referred to by
6542 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
6543 in particular this means that object code that is compiled for
6544 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
6545 expression, because profiled object code is only compatible with the
6546 profiling version of the runtime.</para>
6547
6548 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
6549 containing Template Haskell code and you need to compile it for
6550 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
6551 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
6552 The basic idea is to compile the program twice:</para>
6553
6554 <orderedlist>
6555 <listitem>
6556   <para>Compile the program or library first the normal way, without
6557   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
6558 </listitem>
6559 <listitem>
6560   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
6561   additionally use <option>-osuf
6562   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
6563   to name the object files differently (you can choose any suffix
6564   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
6565   load the object files built in the first step when executing splice
6566   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
6567   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
6568   GHC will emit an error message. </para>
6569 </listitem>
6570 </orderedlist>
6571 </sect2>
6572
6573 <sect2 id="th-quasiquotation">  <title> Template Haskell Quasi-quotation </title>
6574 <para>Quasi-quotation allows patterns and expressions to be written using
6575 programmer-defined concrete syntax; the motivation behind the extension and
6576 several examples are documented in
6577 "<ulink url="http://www.eecs.harvard.edu/~mainland/ghc-quasiquoting/">Why It's
6578 Nice to be Quoted: Quasiquoting for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop
6579 2007). The example below shows how to write a quasiquoter for a simple
6580 expression language.</para>
6581 <para>
6582 Here are the salient features
6583 <itemizedlist>
6584 <listitem><para>
6585 A quasi-quote has the form
6586 <literal>[<replaceable>quoter</replaceable>| <replaceable>string</replaceable> |]</literal>.
6587 <itemizedlist>
6588 <listitem><para>
6589 The <replaceable>quoter</replaceable> must be the (unqualified) name of an imported 
6590 quoter; it cannot be an arbitrary expression.  
6591 </para></listitem>
6592 <listitem><para>
6593 The <replaceable>quoter</replaceable> cannot be "<literal>e</literal>", 
6594 "<literal>t</literal>", "<literal>d</literal>", or "<literal>p</literal>", since
6595 those overlap with Template Haskell quotations.
6596 </para></listitem>
6597 <listitem><para>
6598 There must be no spaces in the token
6599 <literal>[<replaceable>quoter</replaceable>|</literal>.
6600 </para></listitem>
6601 <listitem><para>
6602 The quoted <replaceable>string</replaceable> 
6603 can be arbitrary, and may contain newlines.
6604 </para></listitem>
6605 </itemizedlist>
6606 </para></listitem>
6607
6608 <listitem><para>
6609 A quasiquote may appear in place of
6610 <itemizedlist>
6611 <listitem><para>An expression</para></listitem>
6612 <listitem><para>A pattern</para></listitem>
6613 <listitem><para>A type</para></listitem>
6614 <listitem><para>A top-level declaration</para></listitem>
6615 </itemizedlist>
6616 (Only the first two are described in the paper.)
6617 </para></listitem>
6618
6619 <listitem><para>
6620 A quoter is a value of type <literal>Language.Haskell.TH.Quote.QuasiQuoter</literal>, 
6621 which is defined thus:
6622 <programlisting>
6623 data QuasiQuoter = QuasiQuoter { quoteExp  :: String -> Q Exp,
6624                                  quotePat  :: String -> Q Pat,
6625                                  quoteType :: String -> Q Type,
6626                                  quoteDec  :: String -> Q [Dec] }
6627 </programlisting>
6628 That is, a quoter is a tuple of four parsers, one for each of the contexts
6629 in which a quasi-quote can occur.
6630 </para></listitem>
6631 <listitem><para>
6632 A quasi-quote is expanded by applying the appropriate parser to the string
6633 enclosed by the Oxford brackets.  The context of the quasi-quote (expression, pattern,
6634 type, declaration) determines which of the parsers is called.
6635 </para></listitem>
6636 </itemizedlist>
6637 </para>
6638 <para>
6639 The example below shows quasi-quotation in action.  The quoter <literal>expr</literal>
6640 is bound to a value of type <literal>QuasiQuoter</literal> defined in module <literal>Expr</literal>.
6641 The example makes use of an antiquoted
6642 variable <literal>n</literal>, indicated by the syntax <literal>'int:n</literal>
6643 (this syntax for anti-quotation was defined by the parser's
6644 author, <emphasis>not</emphasis> by GHC). This binds <literal>n</literal> to the
6645 integer value argument of the constructor <literal>IntExpr</literal> when
6646 pattern matching. Please see the referenced paper for further details regarding
6647 anti-quotation as well as the description of a technique that uses SYB to
6648 leverage a single parser of type <literal>String -> a</literal> to generate both
6649 an expression parser that returns a value of type <literal>Q Exp</literal> and a
6650 pattern parser that returns a value of type <literal>Q Pat</literal>.
6651 </para>
6652
6653 <para>
6654 Quasiquoters must obey the same stage restrictions as Template Haskell, e.g., in
6655 the example, <literal>expr</literal> cannot be defined
6656 in <literal>Main.hs</literal> where it is used, but must be imported.
6657 </para>
6658
6659 <programlisting>
6660 {- ------------- file Main.hs --------------- -}
6661 module Main where
6662
6663 import Expr
6664
6665 main :: IO ()
6666 main = do { print $ eval [expr|1 + 2|]
6667           ; case IntExpr 1 of
6668               { [expr|'int:n|] -> print n
6669               ;  _              -> return ()
6670               }
6671           }
6672
6673
6674 {- ------------- file Expr.hs --------------- -}
6675 module Expr where
6676
6677 import qualified Language.Haskell.TH as TH
6678 import Language.Haskell.TH.Quote
6679
6680 data Expr  =  IntExpr Integer
6681            |  AntiIntExpr String
6682            |  BinopExpr BinOp Expr Expr
6683            |  AntiExpr String
6684     deriving(Show, Typeable, Data)
6685
6686 data BinOp  =  AddOp
6687             |  SubOp
6688             |  MulOp
6689             |  DivOp
6690     deriving(Show, Typeable, Data)
6691
6692 eval :: Expr -> Integer
6693 eval (IntExpr n)        = n
6694 eval (BinopExpr op x y) = (opToFun op) (eval x) (eval y)
6695   where
6696     opToFun AddOp = (+)
6697     opToFun SubOp = (-)
6698     opToFun MulOp = (*)
6699     opToFun DivOp = div
6700
6701 expr = QuasiQuoter { quoteExp = parseExprExp, quotePat =  parseExprPat }
6702
6703 -- Parse an Expr, returning its representation as
6704 -- either a Q Exp or a Q Pat. See the referenced paper
6705 -- for how to use SYB to do this by writing a single
6706 -- parser of type String -> Expr instead of two
6707 -- separate parsers.
6708
6709 parseExprExp :: String -> Q Exp
6710 parseExprExp ...
6711
6712 parseExprPat :: String -> Q Pat
6713 parseExprPat ...
6714 </programlisting>
6715
6716 <para>Now run the compiler:
6717 <programlisting>
6718 $ ghc --make -XQuasiQuotes Main.hs -o main
6719 </programlisting>
6720 </para>
6721
6722 <para>Run "main" and here is your output:
6723 <programlisting>
6724 $ ./main
6725 3
6726 1
6727 </programlisting>
6728 </para>
6729 </sect2>
6730
6731 </sect1>
6732
6733 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
6734
6735 <sect1 id="arrow-notation">
6736 <title>Arrow notation
6737 </title>
6738
6739 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
6740 For more details, see
6741 <itemizedlist>
6742
6743 <listitem>
6744 <para>
6745 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
6746 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
6747 pp67&ndash;111, May 2000.
6748 The paper that introduced arrows: a friendly introduction, motivated with
6749 programming examples.
6750 </para>
6751 </listitem>
6752
6753 <listitem>
6754 <para>
6755 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
6756 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
6757 Introduced the notation described here.
6758 </para>
6759 </listitem>
6760
6761 <listitem>
6762 <para>
6763 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
6764 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
6765 Palgrave, 2003.
6766 </para>
6767 </listitem>
6768
6769 <listitem>
6770 <para>
6771 &ldquo;<ulink url="http://www.cs.chalmers.se/~rjmh/afp-arrows.pdf">Programming with Arrows</ulink>&rdquo;,
6772 John Hughes, in <citetitle>5th International Summer School on
6773 Advanced Functional Programming</citetitle>,
6774 <citetitle>Lecture Notes in Computer Science</citetitle> vol. 3622,
6775 Springer, 2004.
6776 This paper includes another introduction to the notation,
6777 with practical examples.
6778 </para>
6779 </listitem>
6780
6781 <listitem>
6782 <para>
6783 &ldquo;<ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/papers/arrow-rules.pdf">Type and Translation Rules for Arrow Notation in GHC</ulink>&rdquo;,
6784 Ross Paterson and Simon Peyton Jones, September 16, 2004.
6785 A terse enumeration of the formal rules used
6786 (extracted from comments in the source code).
6787 </para>
6788 </listitem>
6789
6790 <listitem>
6791 <para>
6792 The arrows web page at
6793 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
6794 </para>
6795 </listitem>
6796
6797 </itemizedlist>
6798 With the <option>-XArrows</option> flag, GHC supports the arrow
6799 notation described in the second of these papers,
6800 translating it using combinators from the
6801 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6802 module.
6803 What follows is a brief introduction to the notation;
6804 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
6805 </para>
6806
6807 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
6808 <screen>
6809 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
6810        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6811 </screen>
6812 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
6813 The variables of the pattern are bound in the body of the 
6814 <literal>proc</literal>-expression,
6815 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
6816 The syntax of commands is as follows:
6817 <screen>
6818 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
6819        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
6820        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
6821 </screen>
6822 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
6823 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
6824 infix operators as for expressions, and
6825 <screen>
6826 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6827        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
6828        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
6829        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
6830        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
6831        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
6832
6833 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
6834        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
6835        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
6836
6837 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
6838        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
6839        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
6840        |  <replaceable>cmd</replaceable>
6841 </screen>
6842 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
6843 except that the bodies are commands instead of expressions.
6844 </para>
6845
6846 <para>
6847 Commands produce values, but (like monadic computations)
6848 may yield more than one value,
6849 or none, and may do other things as well.
6850 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
6851 using commands.
6852 However the values of expressions, even monadic ones,
6853 are determined by the values of the variables they contain;
6854 this is not necessarily the case for commands.
6855 </para>
6856
6857 <para>
6858 A simple example of the new notation is the expression
6859 <screen>
6860 proc x -> f -&lt; x+1
6861 </screen>
6862 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
6863 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
6864 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
6865 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
6866 It refers to the input to the arrow.
6867 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
6868 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
6869 type and an expression to be fed as input to that arrow.
6870 (The weird look will make more sense later.)
6871 It may be read as analogue of application for arrows.
6872 The above example is equivalent to the Haskell expression
6873 <screen>
6874 arr (\ x -> x+1) >>> f
6875 </screen>
6876 That would make no sense if the expression to the left of
6877 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
6878 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
6879 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
6880 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
6881 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
6882 <screen>
6883 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
6884 </screen>
6885 which is equivalent to
6886 <screen>
6887 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
6888 </screen>
6889 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
6890 class.
6891 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
6892 you may find a monadic formulation more convenient.
6893 </para>
6894
6895 <sect2>
6896 <title>do-notation for commands</title>
6897
6898 <para>
6899 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
6900 For example, you can write
6901 <screen>
6902 proc x -> do
6903         y &lt;- f -&lt; x+1
6904         g -&lt; 2*y
6905         let z = x+y
6906         t &lt;- h -&lt; x*z
6907         returnA -&lt; t+z
6908 </screen>
6909 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
6910 but with commands in place of monadic expressions.
6911 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
6912 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
6913 <literal>y</literal>.
6914 In the next line, the output is discarded.
6915 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
6916 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6917 module as <literal>arr id</literal>.
6918 The above example is treated as an abbreviation for
6919 <screen>
6920 arr (\ x -> (x, x)) >>>
6921         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
6922         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
6923         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
6924         arr snd >>>
6925         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
6926         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
6927         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
6928         returnA
6929 </screen>
6930 Note that variables not used later in the composition are projected out.
6931 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
6932 defined in the
6933 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6934 module, this reduces to
6935 <screen>
6936 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
6937         first f >>>
6938         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
6939         first g >>>
6940         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
6941         first h >>>
6942         arr (\ (t, z) -> t+z)
6943 </screen>
6944 which is what you might have written by hand.
6945 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
6946 </para>
6947
6948 <para>
6949 Note that although the above translation suggests that
6950 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
6951 monomorphic, the actual translation produces Core,
6952 so polymorphic variables are allowed.
6953 </para>
6954
6955 <para>
6956 It's also possible to have mutually recursive bindings,
6957 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
6958 <programlisting>
6959 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
6960 counter = proc reset -> do
6961         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
6962                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
6963         returnA -&lt; output
6964 </programlisting>
6965 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
6966 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
6967 </para>
6968
6969 </sect2>
6970
6971 <sect2>
6972 <title>Conditional commands</title>
6973
6974 <para>
6975 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
6976 input for an arrow.
6977 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
6978 <screen>
6979 proc (x,y) ->
6980         if f x y
6981         then g -&lt; x+1
6982         else h -&lt; y+2
6983 </screen>
6984 which is translated to
6985 <screen>
6986 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
6987         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
6988 </screen>
6989 Since the translation uses <function>|||</function>,
6990 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
6991 </para>
6992
6993 <para>
6994 There are also <literal>case</literal> commands, like
6995 <screen>
6996 case input of
6997     [] -> f -&lt; ()
6998     [x] -> g -&lt; x+1
6999     x1:x2:xs -> do
7000         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
7001         ys &lt;- k -&lt; xs
7002         returnA -&lt; y:ys
7003 </screen>
7004 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
7005 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
7006 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
7007 </para>
7008
7009 </sect2>
7010
7011 <sect2>
7012 <title>Defining your own control structures</title>
7013
7014 <para>
7015 As we're seen, arrow notation provides constructs,
7016 modelled on those for expressions,
7017 for sequencing, value recursion and conditionals.
7018 But suitable combinators,
7019 which you can define in ordinary Haskell,
7020 may also be used to build new commands out of existing ones.
7021 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
7022 These environments assign values to the free local variables of the command.
7023 Thus combinators that produce arrows from arrows
7024 may also be used to build commands from commands.
7025 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
7026 <programlisting>
7027 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
7028 </programlisting>
7029 so we can use it to build commands:
7030 <programlisting>
7031 expr' = proc x -> do
7032                 returnA -&lt; x
7033         &lt;+> do
7034                 symbol Plus -&lt; ()
7035                 y &lt;- term -&lt; ()
7036                 expr' -&lt; x + y
7037         &lt;+> do
7038                 symbol Minus -&lt; ()
7039                 y &lt;- term -&lt; ()
7040                 expr' -&lt; x - y
7041 </programlisting>
7042 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
7043 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
7044 expression on the previous line.)
7045 This is equivalent to
7046 <programlisting>
7047 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
7048         &lt;+> (proc x -> do
7049                 symbol Plus -&lt; ()
7050                 y &lt;- term -&lt; ()
7051                 expr' -&lt; x + y)
7052         &lt;+> (proc x -> do
7053                 symbol Minus -&lt; ()
7054                 y &lt;- term -&lt; ()
7055                 expr' -&lt; x - y)
7056 </programlisting>
7057 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
7058 (representing the environment input to the command
7059 and thence to its subcommands)
7060 and satisfy the corresponding naturality property
7061 <screen>
7062 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
7063 </screen>
7064 at least for strict <literal>k</literal>.
7065 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
7066 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
7067 of the whole command,
7068 and also allows the translation to safely trim these environments.
7069 The operator must also not use any variable defined within the current
7070 arrow abstraction.
7071 </para>
7072
7073 <para>
7074 We could define our own operator
7075 <programlisting>
7076 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
7077 untilA body cond = proc x ->
7078         b &lt;- cond -&lt; x
7079         if b then returnA -&lt; ()
7080         else do
7081                 body -&lt; x
7082                 untilA body cond -&lt; x
7083 </programlisting>
7084 and use it in the same way.
7085 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
7086 there is also a more general syntax involving special brackets:
7087 <screen>
7088 proc x -> do
7089         y &lt;- f -&lt; x+1
7090         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
7091 </screen>
7092 </para>
7093
7094 </sect2>
7095
7096 <sect2>
7097 <title>Primitive constructs</title>
7098
7099 <para>
7100 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
7101 For example, in an arrow type supporting exceptions,
7102 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
7103 exception that occurred to the handler.
7104 Such an operator might have a type
7105 <screen>
7106 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
7107 </screen>
7108 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
7109 You could then use this with arrow notation by writing a command
7110 <screen>
7111 body `handleA` \ ex -> handler
7112 </screen>
7113 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
7114 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
7115 and the command <literal>handler</literal>,
7116 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
7117 Though the syntax here looks like a functional lambda,
7118 we are talking about commands, and something different is going on.
7119 The input to the arrow represented by a command consists of values for
7120 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
7121 In all the prior examples, this stack was empty.
7122 In the second argument to <function>handleA</function>,
7123 this stack consists of one value, the value of the exception.
7124 The command form of lambda merely gives this value a name.
7125 </para>
7126
7127 <para>
7128 More concretely,
7129 the values on the stack are paired to the right of the environment.
7130 So operators like <function>handleA</function> that pass
7131 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
7132 by pairing the values with the environment in this way.
7133 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
7134 should have the form
7135 <screen>
7136 a (...(e,t1), ... tn) t
7137 </screen>
7138 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
7139 (representing the environment)
7140 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
7141 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
7142 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
7143 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
7144 <replaceable>t</replaceable>.
7145 However the arrows involved need not be the same.
7146 Here are some more examples of suitable operators:
7147 <screen>
7148 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
7149 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
7150 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
7151 </screen>
7152 We can supply the extra input required by commands built with the last two
7153 by applying them to ordinary expressions, as in
7154 <screen>
7155 proc x -> do
7156         s &lt;- ...
7157         (|runReader (do { ... })|) s
7158 </screen>
7159 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
7160 built using <function>runReader</function>.
7161 </para>
7162
7163 <para>
7164 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
7165 the expression versions.
7166 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
7167 These three features (operators, lambda abstraction and application)
7168 are the core of the notation; everything else can be built using them,
7169 though the results would be somewhat clumsy.
7170 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
7171 <programlisting>
7172 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
7173 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
7174
7175 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
7176 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
7177 </programlisting>
7178 We could simulate <literal>if</literal> by defining
7179 <programlisting>
7180 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
7181 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
7182 </programlisting>
7183 </para>
7184
7185 </sect2>
7186
7187 <sect2>
7188 <title>Differences with the paper</title>
7189
7190 <itemizedlist>
7191
7192 <listitem>
7193 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
7194 translations, the implementation provides two forms
7195 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
7196 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
7197 </para>
7198 </listitem>
7199
7200 <listitem>
7201 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
7202 a new <literal>form</literal> keyword.
7203 </para>
7204 </listitem>
7205
7206 </itemizedlist>
7207
7208 </sect2>
7209
7210 <sect2>
7211 <title>Portability</title>
7212
7213 <para>
7214 Although only GHC implements arrow notation directly,
7215 there is also a preprocessor
7216 (available from the 
7217 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
7218 that translates arrow notation into Haskell 98
7219 for use with other Haskell systems.
7220 You would still want to check arrow programs with GHC;
7221 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
7222 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
7223 additional restrictions:
7224 <itemizedlist>
7225
7226 <listitem>
7227 <para>
7228 The module must import
7229 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
7230 </para>
7231 </listitem>
7232
7233 <listitem>
7234 <para>
7235 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
7236 These would have to go in separate modules.
7237 </para>
7238 </listitem>
7239
7240 <listitem>
7241 <para>
7242 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
7243 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
7244 </para>
7245 </listitem>
7246
7247 </itemizedlist>
7248 </para>
7249
7250 </sect2>
7251
7252 </sect1>
7253
7254 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
7255
7256 <sect1 id="bang-patterns">
7257 <title>Bang patterns
7258 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
7259 </title>
7260 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
7261 patterns</emphasis>, written <literal>!<replaceable>pat</replaceable></literal>.   
7262 Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
7263 The <ulink
7264 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
7265 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
7266 than the material below.
7267 </para>
7268 <para>
7269 The key change is the addition of a new rule to the 
7270 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">semantics of pattern matching in the Haskell 98 report</ulink>.
7271 Add new bullet 10, saying: Matching the pattern <literal>!</literal><replaceable>pat</replaceable> 
7272 against a value <replaceable>v</replaceable> behaves as follows:
7273 <itemizedlist>
7274 <listitem><para>if <replaceable>v</replaceable> is bottom, the match diverges</para></listitem>
7275 <listitem><para>otherwise, <replaceable>pat</replaceable> is matched against <replaceable>v</replaceable>  </para></listitem>
7276 </itemizedlist>
7277 </para>
7278 <para>
7279 Bang patterns are enabled by the flag <option>-XBangPatterns</option>.
7280 </para>
7281
7282 <sect2 id="bang-patterns-informal">
7283 <title>Informal description of bang patterns
7284 </title>
7285 <para>
7286 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
7287 <programlisting>
7288   pat ::= !pat
7289 </programlisting>
7290 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
7291 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
7292 Example:
7293 <programlisting>
7294 f1 !x = True
7295 </programlisting>
7296 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
7297 whereas without the bang it would be lazy.
7298 Bang patterns can be nested of course:
7299 <programlisting>
7300 f2 (!x, y) = [x,y]
7301 </programlisting>
7302 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
7303 <literal>y</literal>.  
7304 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
7305 <programlisting>
7306 f3 !(x,y) = [x,y]
7307 f4 (x,y)  = [x,y]
7308 </programlisting>
7309 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; 
7310 putting a bang before a pattern that
7311 forces evaluation anyway does nothing.
7312 </para>
7313 <para>
7314 There is one (apparent) exception to this general rule that a bang only
7315 makes a difference when it precedes a variable or wild-card: a bang at the
7316 top level of a <literal>let</literal> or <literal>where</literal>
7317 binding makes the binding strict, regardless of the pattern.
7318 (We say "apparent" exception because the Right Way to think of it is that the bang
7319 at the top of a binding is not part of the <emphasis>pattern</emphasis>; rather it
7320 is part of the syntax of the <emphasis>binding</emphasis>,
7321 creating a "bang-pattern binding".)
7322 For example:
7323 <programlisting>
7324 let ![x,y] = e in b
7325 </programlisting>
7326 is a bang-pattern binding. Operationally, it behaves just like a case expression:
7327 <programlisting>
7328 case e of [x,y] -> b
7329 </programlisting>
7330 Like a case expression, a bang-pattern binding must be non-recursive, and
7331 is monomorphic.
7332
7333 However, <emphasis>nested</emphasis> bangs in a pattern binding behave uniformly with all other forms of
7334 pattern matching.  For example
7335 <programlisting>
7336 let (!x,[y]) = e in b
7337 </programlisting>
7338 is equivalent to this:
7339 <programlisting>
7340 let { t = case e of (x,[y]) -> x `seq` (x,y)
7341       x = fst t
7342       y = snd t }
7343 in b
7344 </programlisting>
7345 The binding is lazy, but when either <literal>x</literal> or <literal>y</literal> is
7346 evaluated by <literal>b</literal> the entire pattern is matched, including forcing the
7347 evaluation of <literal>x</literal>.
7348 </para>
7349 <para>
7350 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
7351 <programlisting>
7352 g5 x = let y = f x in body
7353 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
7354 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
7355 </programlisting>
7356 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
7357 But <literal>g7</literal> evaluates <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
7358 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
7359 </para>
7360 </sect2>
7361
7362
7363 <sect2 id="bang-patterns-sem">
7364 <title>Syntax and semantics
7365 </title>
7366 <para>
7367
7368 We add a single new production to the syntax of patterns:
7369 <programlisting>
7370   pat ::= !pat
7371 </programlisting>
7372 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
7373 <programlisting>
7374 f !x = 3
7375 </programlisting>
7376 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
7377 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
7378 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
7379 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
7380 prefix notation:
7381 <programlisting>
7382 (!) f x = 3
7383 </programlisting>
7384 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
7385 url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
7386 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
7387 one extra item 10, saying:
7388 <itemizedlist><listitem><para>Matching
7389 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
7390 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
7391                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
7392                 <literal>v</literal></para></listitem>
7393 </itemizedlist>
7394 </para></listitem></itemizedlist>
7395 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
7396 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
7397 <programlisting>
7398 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
7399    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
7400 </programlisting>
7401 </para><para>
7402 That leaves let expressions, whose translation is given in 
7403 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
7404 3.12</ulink>
7405 of the Haskell Report.
7406 In the translation box, first apply 
7407 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
7408 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
7409 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
7410 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
7411 </para>
7412 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
7413 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
7414 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
7415 thus:
7416 <programlisting>
7417   let !y = f x in b
7418 </programlisting>
7419
7420 </para>
7421 <para>
7422 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
7423 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
7424 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
7425      is equivalent to
7426 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
7427 </para>
7428 <para>
7429 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
7430 a module.
7431 </para>
7432 </sect2>
7433 </sect1>
7434
7435 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
7436
7437 <sect1 id="assertions">
7438 <title>Assertions
7439 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
7440 </title>
7441
7442 <para>
7443 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
7444 could define a function like the following:
7445 </para>
7446
7447 <para>
7448
7449 <programlisting>
7450 assert :: Bool -> a -> a
7451 assert False x = error "assertion failed!"
7452 assert _     x = x
7453 </programlisting>
7454
7455 </para>
7456
7457 <para>
7458 which works, but gives you back a less than useful error message --
7459 an assertion failed, but which and where?
7460 </para>
7461
7462 <para>
7463 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
7464 takes a descriptive string to include in the error message and
7465 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
7466 the source location where <function>assert</function> was used.
7467 </para>
7468
7469 <para>
7470 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
7471 use of <function>assert</function> in the user's source:
7472 </para>
7473
7474 <para>
7475
7476 <programlisting>
7477 kelvinToC :: Double -> Double
7478 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
7479 </programlisting>
7480
7481 </para>
7482
7483 <para>
7484 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
7485 assertion was made,
7486 </para>
7487
7488 <para>
7489
7490 <programlisting>
7491 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
7492 </programlisting>
7493
7494 </para>
7495
7496 <para>
7497 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
7498 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
7499 can still define and use your own versions of
7500 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
7501 <literal>Control.Exception</literal> to make use
7502 <function>assert</function> in your code.
7503 </para>
7504
7505 <para>
7506 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
7507       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
7508 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
7509 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
7510       <option>-fignore-asserts</option>
7511       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
7512       </indexterm>.</para>
7513
7514 <para>
7515 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
7516 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
7517 </para>
7518
7519 </sect1>
7520
7521
7522 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
7523
7524   <sect1 id="pragmas">
7525     <title>Pragmas</title>
7526
7527     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
7528
7529     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
7530     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
7531     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
7532     of the generated code.</para>
7533
7534     <para>Pragmas all take the form
7535
7536 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
7537
7538     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
7539     pragma, and is followed optionally by information specific to that
7540     type of pragma.  Case is ignored in
7541     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
7542     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
7543     in the following sections; any pragma encountered with an
7544     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is
7545     ignored. The layout rule applies in pragmas, so the closing <literal>#-}</literal>
7546     should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>. </para> 
7547
7548     <para>Certain pragmas are <emphasis>file-header pragmas</emphasis>:
7549       <itemizedlist>
7550       <listitem><para>
7551           A file-header
7552           pragma must precede the <literal>module</literal> keyword in the file.
7553           </para></listitem>
7554       <listitem><para>
7555       There can be as many file-header pragmas as you please, and they can be
7556       preceded or followed by comments.  
7557           </para></listitem>
7558       <listitem><para>
7559       File-header pragmas are read once only, before
7560       pre-processing the file (e.g. with cpp).
7561           </para></listitem>
7562       <listitem><para>
7563          The file-header pragmas are: <literal>{-# LANGUAGE #-}</literal>,
7564         <literal>{-# OPTIONS_GHC #-}</literal>, and
7565         <literal>{-# INCLUDE #-}</literal>.
7566           </para></listitem>
7567       </itemizedlist>
7568       </para>
7569
7570     <sect2 id="language-pragma">
7571       <title>LANGUAGE pragma</title>
7572
7573       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7574       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
7575
7576       <para>The <literal>LANGUAGE</literal> pragma allows language extensions to be enabled 
7577         in a portable way.
7578         It is the intention that all Haskell compilers support the
7579         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
7580         all extensions are supported by all compilers, of
7581         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
7582         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
7583
7584       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
7585
7586 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
7587
7588         <para><literal>LANGUAGE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7589
7590       <para>Every language extension can also be turned into a command-line flag
7591         by prefixing it with "<literal>-X</literal>"; for example <option>-XForeignFunctionInterface</option>.
7592         (Similarly, all "<literal>-X</literal>" flags can be written as <literal>LANGUAGE</literal> pragmas.
7593       </para>
7594
7595       <para>A list of all supported language extensions can be obtained by invoking
7596         <literal>ghc --supported-extensions</literal> (see <xref linkend="modes"/>).</para>
7597
7598       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
7599         <ulink
7600           url="&libraryCabalLocation;/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink>
7601         may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
7602     </sect2>
7603
7604
7605     <sect2 id="options-pragma">
7606       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
7607       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
7608       </indexterm>
7609       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
7610       </indexterm>
7611
7612       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
7613       additional options that are given to the compiler when compiling
7614       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
7615       details.</para>
7616
7617       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
7618         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
7619     </sect2>
7620
7621         <para><literal>OPTIONS_GHC</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7622
7623     <sect2 id="include-pragma">
7624       <title>INCLUDE pragma</title>
7625
7626       <para>The <literal>INCLUDE</literal> used to be necessary for
7627         specifying header files to be included when using the FFI and
7628         compiling via C.  It is no longer required for GHC, but is
7629         accepted (and ignored) for compatibility with other
7630         compilers.</para>
7631     </sect2>
7632
7633     <sect2 id="warning-deprecated-pragma">
7634       <title>WARNING and DEPRECATED pragmas</title>
7635       <indexterm><primary>WARNING</primary></indexterm>
7636       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary></indexterm>
7637
7638       <para>The WARNING pragma allows you to attach an arbitrary warning
7639       to a particular function, class, or type.
7640       A DEPRECATED pragma lets you specify that
7641       a particular function, class, or type is deprecated.
7642       There are two ways of using these pragmas.
7643
7644       <itemizedlist>
7645         <listitem>
7646           <para>You can work on an entire module thus:</para>
7647 <programlisting>
7648    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
7649      ...
7650 </programlisting>
7651       <para>Or:</para>
7652 <programlisting>
7653    module Wibble {-# WARNING "This is an unstable interface." #-} where
7654      ...
7655 </programlisting>
7656           <para>When you compile any module that import
7657           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
7658           message.</para>
7659         </listitem>
7660
7661         <listitem>
7662           <para>You can attach a warning to a function, class, type, or data constructor, with the
7663           following top-level declarations:</para>
7664 <programlisting>
7665    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
7666    {-# WARNING unsafePerformIO "This is unsafe; I hope you know what you're doing" #-}
7667 </programlisting>
7668           <para>When you compile any module that imports and uses any
7669           of the specified entities, GHC will print the specified
7670           message.</para>
7671           <para> You can only attach to entities declared at top level in the module
7672           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
7673           entities. A capitalised name, such as <literal>T</literal>
7674           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
7675           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
7676           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to
7677       specify one without the other (c.f. fixities
7678       <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
7679         </listitem>
7680       </itemizedlist>
7681       Warnings and deprecations are not reported for
7682       (a) uses within the defining module, and
7683       (b) uses in an export list.
7684       The latter reduces spurious complaints within a library
7685       in which one module gathers together and re-exports 
7686       the exports of several others.
7687       </para>
7688       <para>You can suppress the warnings with the flag
7689       <option>-fno-warn-warnings-deprecations</option>.</para>
7690     </sect2>
7691
7692     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
7693       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
7694
7695       <para>These pragmas control the inlining of function
7696       definitions.</para>
7697
7698       <sect3 id="inline-pragma">
7699         <title>INLINE pragma</title>
7700         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
7701
7702         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
7703         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
7704         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
7705         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
7706         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
7707         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
7708         export that unfolding for other modules to use.</para>
7709
7710         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
7711         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
7712         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
7713
7714 <programlisting>
7715 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
7716 {-# INLINE key_function #-}
7717 </programlisting>
7718
7719         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
7720         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
7721         The normal unfolding machinery will then be very keen to
7722         inline it.  However, an <literal>INLINE</literal> pragma for a 
7723         function "<literal>f</literal>" has a number of other effects:
7724 <itemizedlist>
7725 <listitem><para>
7726 While GHC is keen to inline the function, it does not do so
7727 blindly.  For example, if you write
7728 <programlisting>
7729 map key_function xs
7730 </programlisting>
7731 there really isn't any point in inlining <literal>key_function</literal> to get
7732 <programlisting>
7733 map (\x -> <replaceable>body</replaceable>) xs
7734 </programlisting>
7735 In general, GHC only inlines the function if there is some reason (no matter
7736 how slight) to supose that it is useful to do so.
7737 </para></listitem>
7738
7739 <listitem><para>
7740 Moreover, GHC will only inline the function if it is <emphasis>fully applied</emphasis>, 
7741 where "fully applied"
7742 means applied to as many arguments as appear (syntactically) 
7743 on the LHS of the function
7744 definition.  For example:
7745 <programlisting>
7746 comp1 :: (b -> c) -> (a -> b) -> a -> c
7747 {-# INLINE comp1 #-}
7748 comp1 f g = \x -> f (g x)
7749
7750 comp2 :: (b -> c) -> (a -> b) -> a -> c
7751 {-# INLINE comp2 #-}
7752 comp2 f g x = f (g x)
7753 </programlisting>
7754 The two functions <literal>comp1</literal> and <literal>comp2</literal> have the 
7755 same semantics, but <literal>comp1</literal> will be inlined when applied
7756 to <emphasis>two</emphasis> arguments, while <literal>comp2</literal> requires
7757 <emphasis>three</emphasis>.  This might make a big difference if you say
7758 <programlisting>
7759 map (not `comp1` not) xs
7760 </programlisting>
7761 which will optimise better than the corresponding use of `comp2`.
7762 </para></listitem>
7763
7764 <listitem><para> 
7765 It is useful for GHC to optimise the definition of an
7766 INLINE function <literal>f</literal> just like any other non-INLINE function, 
7767 in case the non-inlined version of <literal>f</literal> is
7768 ultimately called.  But we don't want to inline 
7769 the <emphasis>optimised</emphasis> version
7770 of <literal>f</literal>;
7771 a major reason for INLINE pragmas is to expose functions 
7772 in <literal>f</literal>'s RHS that have
7773 rewrite rules, and it's no good if those functions have been optimised
7774 away.
7775 </para>
7776 <para>
7777 So <emphasis>GHC guarantees to inline precisely the code that you wrote</emphasis>, no more
7778 and no less.  It does this by capturing a copy of the definition of the function to use
7779 for inlining (we call this the "inline-RHS"), which it leaves untouched,
7780 while optimising the ordinarly RHS as usual.  For externally-visible functions
7781 the inline-RHS (not the optimised RHS) is recorded in the interface file.
7782 </para></listitem>
7783 <listitem><para>
7784 An INLINE function is not worker/wrappered by strictness analysis.
7785 It's going to be inlined wholesale instead.
7786 </para></listitem>
7787 </itemizedlist>
7788 </para>
7789 <para>GHC ensures that inlining cannot go on forever: every mutually-recursive
7790 group is cut by one or more <emphasis>loop breakers</emphasis> that is never inlined
7791 (see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/Papers/inlining/index.htm">
7792 Secrets of the GHC inliner, JFP 12(4) July 2002</ulink>).
7793 GHC tries not to select a function with an INLINE pragma as a loop breaker, but
7794 when there is no choice even an INLINE function can be selected, in which case
7795 the INLINE pragma is ignored.
7796 For example, for a self-recursive function, the loop breaker can only be the function
7797 itself, so an INLINE pragma is always ignored.</para>
7798
7799         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
7800         function can be put anywhere its type signature could be
7801         put.</para>
7802
7803         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
7804         good idea for the
7805         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
7806         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
7807         a monad.  For example, in GHC's own
7808         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
7809
7810 <programlisting>
7811 {-# INLINE thenUs #-}
7812 {-# INLINE returnUs #-}
7813 </programlisting>
7814
7815         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> (<xref linkend="inlinable-pragma"/>) 
7816         and <literal>INLINABLE</literal> (<xref linkend="noinline-pragma"/>) 
7817         pragmas.</para>
7818
7819         <para>Note: the HBC compiler doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas,
7820           so if you want your code to be HBC-compatible you'll have to surround
7821           the pragma with C pre-processor directives 
7822           <literal>#ifdef __GLASGOW_HASKELL__</literal>...<literal>#endif</literal>.</para>
7823
7824       </sect3>
7825
7826       <sect3 id="inlinable-pragma">
7827         <title>INLINABLE pragma</title>
7828
7829 <para>An <literal>{-# INLINABLE f #-}</literal> pragma on a
7830 function <literal>f</literal> has the following behaviour:
7831 <itemizedlist>
7832 <listitem><para>
7833 While <literal>INLINE</literal> says "please inline me", the <literal>INLINABLE</literal>
7834 says "feel free to inline me; use your
7835 discretion".  In other words the choice is left to GHC, which uses the same
7836 rules as for pragma-free functions.  Unlike <literal>INLINE</literal>, that decision is made at
7837 the <emphasis>call site</emphasis>, and
7838 will therefore be affected by the inlining threshold, optimisation level etc.
7839 </para></listitem>
7840 <listitem><para>
7841 Like <literal>INLINE</literal>, the <literal>INLINABLE</literal> pragma retains a
7842 copy of the original RHS for
7843 inlining purposes, and persists it in the interface file, regardless of
7844 the size of the RHS.
7845 </para></listitem>
7846
7847 <listitem><para>
7848 One way to use <literal>INLINABLE</literal> is in conjunction with
7849 the special function <literal>inline</literal> (<xref linkend="special-ids"/>).
7850 The call <literal>inline f</literal> tries very hard to inline <literal>f</literal>.
7851 To make sure that <literal>f</literal> can be inlined,
7852 it is a good idea to mark the definition
7853 of <literal>f</literal> as <literal>INLINABLE</literal>,
7854 so that GHC guarantees to expose an unfolding regardless of how big it is.
7855 Moreover, by annotating <literal>f</literal> as <literal>INLINABLE</literal>,
7856 you ensure that <literal>f</literal>'s original RHS is inlined, rather than
7857 whatever random optimised version of <literal>f</literal> GHC's optimiser
7858 has produced.
7859 </para></listitem>
7860
7861 <listitem><para>
7862 The <literal>INLINABLE</literal> pragma also works with <literal>SPECIALISE</literal>:
7863 if you mark function <literal>f</literal> as <literal>INLINABLE</literal>, then
7864 you can subsequently <literal>SPECIALISE</literal> in another module
7865 (see <xref linkend="specialize-pragma"/>).</para></listitem>
7866
7867 <listitem><para>
7868 Unlike <literal>INLINE</literal>, it is OK to use
7869 an <literal>INLINABLE</literal> pragma on a recursive function.
7870 The principal reason do to so to allow later use of <literal>SPECIALISE</literal>
7871 </para></listitem>
7872 </itemizedlist>
7873 </para>
7874
7875       </sect3>
7876
7877       <sect3 id="noinline-pragma">
7878         <title>NOINLINE pragma</title>
7879         
7880         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
7881         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
7882
7883         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
7884         you'd expect: it stops the named function from being inlined
7885         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
7886         you're very cautious about code size.</para>
7887
7888         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
7889         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
7890         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
7891         inlining, so it should be used if you want your code to be
7892         portable).</para>
7893       </sect3>
7894
7895       <sect3 id="conlike-pragma">
7896         <title>CONLIKE modifier</title>
7897         <indexterm><primary>CONLIKE</primary></indexterm>
7898         <para>An INLINE or NOINLINE pragma may have a CONLIKE modifier, 
7899         which affects matching in RULEs (only).  See <xref linkend="conlike"/>.
7900         </para>
7901       </sect3>
7902
7903       <sect3 id="phase-control">
7904         <title>Phase control</title>
7905
7906         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
7907         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
7908         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
7909         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
7910         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
7911         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
7912         sequence of phase numbers for successive runs of the
7913         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
7914         phase number, thus:
7915         <itemizedlist>
7916           <listitem>
7917             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7918             <literal>f</literal>
7919               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7920               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
7921             </para></listitem>
7922           <listitem>
7923             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
7924             <literal>f</literal>
7925               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7926               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7927             </para></listitem>
7928           <listitem>
7929             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7930             <literal>f</literal>
7931               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7932               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
7933               there was no pragma).
7934             </para></listitem>
7935             <listitem>
7936             <para>"<literal>NOINLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
7937             <literal>f</literal>
7938               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7939               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7940             </para></listitem>
7941         </itemizedlist>
7942 The same information is summarised here:
7943 <programlisting>
7944                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
7945   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
7946   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
7947   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
7948   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
7949
7950   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
7951   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
7952 </programlisting>
7953 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
7954 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
7955 Another way to understand the semantics is this:
7956 <itemizedlist>
7957 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
7958 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
7959 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
7960 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
7961 happen.
7962 </para></listitem>
7963 </itemizedlist>
7964 </para>
7965 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
7966         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
7967       </sect3>
7968     </sect2>
7969
7970     <sect2 id="annotation-pragmas">
7971       <title>ANN pragmas</title>
7972       
7973       <para>GHC offers the ability to annotate various code constructs with additional
7974       data by using three pragmas.  This data can then be inspected at a later date by
7975       using GHC-as-a-library.</para>
7976             
7977       <sect3 id="ann-pragma">
7978         <title>Annotating values</title>
7979         
7980         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7981         
7982         <para>Any expression that has both <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances may be attached to a top-level value
7983         binding using an <literal>ANN</literal> pragma. In particular, this means you can use <literal>ANN</literal>
7984         to annotate data constructors (e.g. <literal>Just</literal>) as well as normal values (e.g. <literal>take</literal>).
7985         By way of example, to annotate the function <literal>foo</literal> with the annotation <literal>Just "Hello"</literal>
7986         you would do this:</para>
7987         
7988 <programlisting>
7989 {-# ANN foo (Just "Hello") #-}
7990 foo = ...
7991 </programlisting>
7992         
7993         <para>
7994           A number of restrictions apply to use of annotations:
7995           <itemizedlist>
7996             <listitem><para>The binder being annotated must be at the top level (i.e. no nested binders)</para></listitem>
7997             <listitem><para>The binder being annotated must be declared in the current module</para></listitem>
7998             <listitem><para>The expression you are annotating with must have a type with <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances</para></listitem>
7999             <listitem><para>The <ulink linkend="using-template-haskell">Template Haskell staging restrictions</ulink> apply to the
8000             expression being annotated with, so for example you cannot run a function from the module being compiled.</para>
8001             
8002             <para>To be precise, the annotation <literal>{-# ANN x e #-}</literal> is well staged if and only if <literal>$(e)</literal> would be 
8003             (disregarding the usual type restrictions of the splice syntax, and the usual restriction on splicing inside a splice - <literal>$([|1|])</literal> is fine as an annotation, albeit redundant).</para></listitem>
8004           </itemizedlist>
8005           
8006           If you feel strongly that any of these restrictions are too onerous, <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/MailingListsAndIRC">
8007           please give the GHC team a shout</ulink>.
8008         </para>
8009         
8010         <para>However, apart from these restrictions, many things are allowed, including expressions which are not fully evaluated!
8011         Annotation expressions will be evaluated by the compiler just like Template Haskell splices are. So, this annotation is fine:</para>
8012         
8013 <programlisting>
8014 {-# ANN f SillyAnnotation { foo = (id 10) + $([| 20 |]), bar = 'f } #-}
8015 f = ...
8016 </programlisting>
8017       </sect3>
8018       
8019       <sect3 id="typeann-pragma">
8020         <title>Annotating types</title>
8021         
8022         <indexterm><primary>ANN type</primary></indexterm>
8023         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
8024         
8025         <para>You can annotate types with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>type</literal> keyword. For example:</para>
8026         
8027 <programlisting>
8028 {-# ANN type Foo (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
8029 data Foo = ...
8030 </programlisting>
8031       </sect3>
8032       
8033       <sect3 id="modann-pragma">
8034         <title>Annotating modules</title>
8035         
8036         <indexterm><primary>ANN module</primary></indexterm>
8037         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
8038         
8039         <para>You can annotate modules with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>module</literal> keyword. For example:</para>
8040         
8041 <programlisting>
8042 {-# ANN module (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
8043 </programlisting>
8044       </sect3>
8045     </sect2>
8046
8047     <sect2 id="line-pragma">
8048       <title>LINE pragma</title>
8049
8050       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
8051       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
8052       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
8053       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
8054       code.  It lets you specify the line number and filename of the
8055       original code; for example</para>
8056
8057 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
8058
8059       <para>if you'd generated the current file from something called
8060       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
8061       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
8062       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
8063       pragma.</para>
8064     </sect2>
8065
8066     <sect2 id="rules">
8067       <title>RULES pragma</title>
8068
8069       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
8070       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
8071     </sect2>
8072
8073     <sect2 id="specialize-pragma">
8074       <title>SPECIALIZE pragma</title>
8075
8076       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
8077       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
8078       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
8079
8080       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
8081       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
8082       specialised to particular types.  Thus, if you have an
8083       overloaded function:</para>
8084
8085 <programlisting>
8086   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
8087 </programlisting>
8088
8089       <para>If it is heavily used on lists with
8090       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
8091       follows:</para>
8092
8093 <programlisting>
8094   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
8095 </programlisting>
8096
8097       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
8098       be put anywhere its type signature could be put.</para>
8099
8100       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
8101       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
8102       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
8103       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
8104
8105       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
8106         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
8107         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
8108 <programlisting>
8109   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
8110 </programlisting>
8111       is valid if and only if the definition
8112 <programlisting>
8113   f_spec :: &lt;type&gt;
8114   f_spec = f
8115 </programlisting>
8116       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
8117       for the original function, not its code):
8118 <programlisting>
8119   f :: Eq a => a -> b -> b
8120   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
8121
8122   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
8123   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
8124
8125   h :: Eq a => a -> a -> a
8126   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
8127 </programlisting>
8128 The last of these examples will generate a 
8129 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
8130 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
8131 </para>
8132
8133     <sect3 id="specialize-inline">
8134       <title>SPECIALIZE INLINE</title>
8135
8136 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
8137 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
8138 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
8139 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised version of the
8140 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
8141 example is this:
8142 <programlisting>
8143 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
8144 data Arr e where
8145   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
8146   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
8147
8148 (!:) :: Arr e -> Int -> e
8149 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
8150 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
8151 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
8152 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
8153 </programlisting>
8154 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
8155 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
8156 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
8157 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
8158 <literal>(!:)</literal>,
8159 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
8160 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
8161 unrolling of the indexing function.</para>
8162 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
8163 on an ordinarily-recursive function.</para>
8164 </sect3>
8165
8166 <sect3><title>SPECIALIZE for imported functions</title>
8167
8168 <para>
8169 Generally, you can only give a <literal>SPECIALIZE</literal> pragma
8170 for a function defined in the same module.
8171 However if a function <literal>f</literal> is given an <literal>INLINABLE</literal>
8172 pragma at its definition site, then it can subequently be specialised by
8173 importing modules (see <xref linkend="inlinable-pragma"/>).
8174 For example
8175 <programlisting>
8176 module Map( lookup, blah blah ) where
8177   lookup :: Ord key => [(key,a)] -> key -> Maybe a
8178   lookup = ...
8179   {-# INLINABLE lookup #-}
8180
8181 module Client where
8182   import Map( lookup )
8183
8184   data T = T1 | T2 deriving( Eq, Ord )
8185   {-# SPECIALISE lookup :: [(T,a)] -> T -> Maybe a
8186 </programlisting>
8187 Here, <literal>lookup</literal> is declared <literal>INLINABLE</literal>, but
8188 it cannot be specialised for type <literal>T</literal> at its definition site,
8189 because that type does not exist yet.  Instead a client module can define <literal>T</literal>
8190 and then specialise <literal>lookup</literal> at that type.
8191 </para>
8192 <para>
8193 Moreover, every module that imports <literal>Client</literal> (or imports a module
8194 that imports <literal>Client</literal>, transitively) will "see", and make use of,
8195 the specialised version of <literal>lookup</literal>.  You don't need to put
8196 a <literal>SPECIALIZE</literal> pragma in every module.
8197 </para>
8198 <para>
8199 Moreover you often don't even need the <literal>SPECIALIZE</literal> pragma in the
8200 first place. When compiling a module M,
8201 GHC's optimiser (with -O) automatically considers each top-level
8202 overloaded function declared in M, and specialises it
8203 for the different types at which it is called in M.  The optimiser
8204 <emphasis>also</emphasis> considers each <emphasis>imported</emphasis>
8205 <literal>INLINABLE</literal> overloaded function, and specialises it
8206 for the different types at which it is called in M.
8207 So in our example, it would be enough for <literal>lookup</literal> to
8208 be called at type <literal>T</literal>:
8209 <programlisting>
8210 module Client where
8211   import Map( lookup )
8212
8213   data T = T1 | T2 deriving( Eq, Ord )
8214
8215   findT1 :: [(T,a)] -> Maybe a
8216   findT1 m = lookup m T1   -- A call of lookup at type T
8217 </programlisting>
8218 However, sometimes there are no such calls, in which case the
8219 pragma can be useful.
8220 </para>
8221 </sect3>
8222
8223 <sect3><title>Obselete SPECIALIZE syntax</title>
8224
8225       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
8226       specialised function for a given type:
8227
8228 <programlisting>
8229 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
8230 </programlisting>
8231
8232       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
8233       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
8234 </sect3>
8235
8236     </sect2>
8237
8238 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
8239 <title>SPECIALIZE instance pragma
8240 </title>
8241
8242 <para>
8243 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
8244 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
8245 Same idea, except for instance declarations.  For example:
8246
8247 <programlisting>
8248 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
8249    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
8250    ... usual stuff ...
8251  }
8252 </programlisting>
8253 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
8254 of the instance declaration.
8255 </para>
8256 <para>
8257 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
8258 of the pragma.
8259 </para>
8260
8261 </sect2>
8262
8263     <sect2 id="unpack-pragma">
8264       <title>UNPACK pragma</title>
8265
8266       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
8267       
8268       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
8269       that it should unpack the contents of a constructor field into
8270       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
8271       example:</para>
8272
8273 <programlisting>
8274 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
8275            {-# UNPACK #-} !Float
8276 </programlisting>
8277
8278       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
8279       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
8280       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
8281       floats passed to a non-strict function for example, they will
8282       have to be reboxed (this is done automatically by the
8283       compiler).</para>
8284
8285       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
8286       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
8287       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
8288       often as possible.  For example:</para>
8289
8290 <programlisting>
8291 f :: T -&#62; Float
8292 f (T f1 f2) = f1 + f2
8293 </programlisting>
8294
8295       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
8296       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
8297       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
8298
8299       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
8300       example</para>
8301
8302 <programlisting>
8303 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
8304 </programlisting>
8305
8306       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
8307       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
8308       Multi-level unpacking is also supported:
8309
8310 <programlisting>
8311 data T = T {-# UNPACK #-} !S
8312 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
8313 </programlisting>
8314
8315       will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
8316       directly in the <function>T</function> constructor.  The
8317       unpacker can see through newtypes, too.</para>
8318
8319       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
8320       which essentially has the effect of adding
8321       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
8322       constructor field.</para>
8323     </sect2>
8324
8325     <sect2 id="source-pragma">
8326       <title>SOURCE pragma</title>
8327
8328       <indexterm><primary>SOURCE</primary></indexterm>
8329      <para>The <literal>{-# SOURCE #-}</literal> pragma is used only in <literal>import</literal> declarations,
8330      to break a module loop.  It is described in detail in <xref linkend="mutual-recursion"/>.
8331      </para>
8332 </sect2>
8333
8334 </sect1>
8335
8336 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
8337
8338 <sect1 id="rewrite-rules">
8339 <title>Rewrite rules
8340
8341 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
8342 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
8343 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
8344
8345 <para>
8346 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
8347 (in a pragma).  
8348 Here is an example:
8349
8350 <programlisting>
8351   {-# RULES
8352   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
8353     #-}
8354 </programlisting>
8355 </para>
8356 <para>
8357 Use the debug flag <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules fired.
8358 If you need more information, then <option>-ddump-rule-firings</option> shows you
8359 each individual rule firing and <option>-ddump-rule-rewrites</option> also shows what the code looks like before and after the rewrite.
8360 </para>
8361
8362 <sect2>
8363 <title>Syntax</title>
8364
8365 <para>
8366 From a syntactic point of view:
8367
8368 <itemizedlist>
8369
8370 <listitem>
8371 <para>
8372  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma, separated by semicolons (which
8373  may be generated by the layout rule).
8374 </para>
8375 </listitem>
8376
8377 <listitem>
8378 <para>
8379 The layout rule applies in a pragma.
8380 Currently no new indentation level
8381 is set, so if you put several rules in single RULES pragma and wish to use layout to separate them,
8382 you must lay out the starting in the same column as the enclosing definitions.
8383 <programlisting>
8384   {-# RULES
8385   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
8386   "map/append" forall f xs ys. map f (xs ++ ys) = map f xs ++ map f ys
8387     #-}
8388 </programlisting>
8389 Furthermore, the closing <literal>#-}</literal>
8390 should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>.
8391 </para>
8392 </listitem>
8393
8394 <listitem>
8395 <para>
8396  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
8397 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
8398 </para>
8399 </listitem>
8400
8401 <listitem>
8402 <para>
8403 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
8404 immediately after the name of the rule.  Thus:
8405 <programlisting>
8406   {-# RULES
8407         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
8408     #-}
8409 </programlisting>
8410 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
8411 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
8412 Phase 2.
8413 </para>
8414 </listitem>
8415
8416
8417
8418 <listitem>
8419 <para>
8420  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
8421 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
8422 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
8423 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
8424 </para>
8425 </listitem>
8426 <listitem>
8427
8428 <para>
8429  A pattern variable may optionally have a type signature.
8430 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
8431 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
8432
8433 <programlisting>
8434 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
8435               foldr k z (build g) = g k z
8436 </programlisting>
8437
8438 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
8439
8440 </para>
8441 </listitem>
8442 <listitem>
8443
8444 <para>
8445 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
8446 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
8447
8448 <programlisting>
8449 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
8450 "wrong2"   forall f.      f True = True
8451 </programlisting>
8452
8453 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
8454 in the head.
8455 </para>
8456 </listitem>
8457 <listitem>
8458
8459 <para>
8460  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
8461 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
8462 </para>
8463 </listitem>
8464 <listitem>
8465
8466 <para>
8467  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
8468 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
8469 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
8470 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
8471 declarations.
8472 </para>
8473 </listitem>
8474
8475 <listitem>
8476
8477 <para>
8478 Inside a RULE "<literal>forall</literal>" is treated as a keyword, regardless of
8479 any other flag settings.  Furthermore, inside a RULE, the language extension
8480 <option>-XScopedTypeVariables</option> is automatically enabled; see 
8481 <xref linkend="scoped-type-variables"/>.
8482 </para>
8483 </listitem>
8484 <listitem>
8485
8486 <para>
8487 Like other pragmas, RULE pragmas are always checked for scope errors, and
8488 are typechecked. Typechecking means that the LHS and RHS of a rule are typechecked, 
8489 and must have the same type.  However, rules are only <emphasis>enabled</emphasis>
8490 if the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag is 
8491 on (see <xref linkend="rule-semantics"/>).
8492 </para>
8493 </listitem>
8494 </itemizedlist>
8495
8496 </para>
8497
8498 </sect2>
8499
8500 <sect2 id="rule-semantics">
8501 <title>Semantics</title>
8502
8503 <para>
8504 From a semantic point of view:
8505
8506 <itemizedlist>
8507 <listitem>
8508 <para>
8509 Rules are enabled (that is, used during optimisation)
8510 by the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag.
8511 This flag is implied by <option>-O</option>, and may be switched
8512 off (as usual) by <option>-fno-enable-rewrite-rules</option>.
8513 (NB: enabling <option>-fenable-rewrite-rules</option> without <option>-O</option> 
8514 may not do what you expect, though, because without <option>-O</option> GHC 
8515 ignores all optimisation information in interface files;
8516 see <option>-fignore-interface-pragmas</option>, <xref linkend="options-f"/>.)
8517 Note that <option>-fenable-rewrite-rules</option> is an <emphasis>optimisation</emphasis> flag, and
8518 has no effect on parsing or typechecking.
8519 </para>
8520 </listitem>
8521
8522 <listitem>
8523 <para>
8524  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
8525 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
8526 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
8527 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
8528 expression by substituting for the pattern variables.
8529
8530 </para>
8531 </listitem>
8532 <listitem>
8533
8534 <para>
8535  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
8536 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
8537 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
8538
8539 </para>
8540 </listitem>
8541 <listitem>
8542
8543 <para>
8544  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
8545 terminating.  For example:
8546
8547 <programlisting>
8548   "loop"        forall x y.  f x y = f y x
8549 </programlisting>
8550
8551 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
8552
8553 </para>
8554 </listitem>
8555 <listitem>
8556
8557 <para>
8558  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
8559
8560 </para>
8561 </listitem>
8562 <listitem>
8563 <para>
8564  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
8565 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
8566 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
8567 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
8568 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
8569 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
8570 </para>
8571
8572 <para>
8573 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
8574 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
8575 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
8576 </para>
8577 </listitem>
8578 <listitem>
8579
8580 <para>
8581  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
8582 For example, consider:
8583
8584 <programlisting>
8585   let s = map f
8586       t = map g
8587   in
8588   s (t xs)
8589 </programlisting>
8590
8591 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
8592 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
8593 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
8594 not be substituted, and the rule would not fire.
8595
8596 </para>
8597 </listitem>
8598 </itemizedlist>
8599
8600 </para>
8601
8602 </sect2>
8603
8604 <sect2 id="conlike">
8605 <title>How rules interact with INLINE/NOINLINE and CONLIKE pragmas</title>
8606
8607 <para>
8608 Ordinary inlining happens at the same time as rule rewriting, which may lead to unexpected
8609 results.  Consider this (artificial) example
8610 <programlisting>
8611 f x = x
8612 g y = f y
8613 h z = g True
8614
8615 {-# RULES "f" f True = False #-}
8616 </programlisting>
8617 Since <literal>f</literal>'s right-hand side is small, it is inlined into <literal>g</literal>,
8618 to give
8619 <programlisting>
8620 g y = y
8621 </programlisting>
8622 Now <literal>g</literal> is inlined into <literal>h</literal>, but <literal>f</literal>'s RULE has
8623 no chance to fire.  
8624 If instead GHC had first inlined <literal>g</literal> into <literal>h</literal> then there
8625 would have been a better chance that <literal>f</literal>'s RULE might fire.  
8626 </para>
8627 <para>
8628 The way to get predictable behaviour is to use a NOINLINE 
8629 pragma, or an INLINE[<replaceable>phase</replaceable>] pragma, on <literal>f</literal>, to ensure
8630 that it is not inlined until its RULEs have had a chance to fire.
8631 </para>
8632 <para>
8633 GHC is very cautious about duplicating work.  For example, consider
8634 <programlisting>
8635 f k z xs = let xs = build g
8636            in ...(foldr k z xs)...sum xs...
8637 {-# RULES "foldr/build" forall k z g. foldr k z (build g) = g k z #-}
8638 </programlisting>
8639 Since <literal>xs</literal> is used twice, GHC does not fire the foldr/build rule.  Rightly
8640 so, because it might take a lot of work to compute <literal>xs</literal>, which would be
8641 duplicated if the rule fired.
8642 </para>
8643 <para>
8644 Sometimes, however, this approach is over-cautious, and we <emphasis>do</emphasis> want the
8645 rule to fire, even though doing so would duplicate redex.  There is no way that GHC can work out
8646 when this is a good idea, so we provide the CONLIKE pragma to declare it, thus:
8647 <programlisting>
8648 {-# INLINE[1] CONLIKE f #-}
8649 f x = <replaceable>blah</replaceable>
8650 </programlisting>
8651 CONLIKE is a modifier to an INLINE or NOINLINE pragam.  It specifies that an application
8652 of f to one argument (in general, the number of arguments to the left of the '=' sign)
8653 should be considered cheap enough to duplicate, if such a duplication would make rule
8654 fire.  (The name "CONLIKE" is short for "constructor-like", because constructors certainly
8655 have such a property.)
8656 The CONLIKE pragam is a modifier to INLINE/NOINLINE because it really only makes sense to match 
8657 <literal>f</literal> on the LHS of a rule if you are sure that <literal>f</literal> is
8658 not going to be inlined before the rule has a chance to fire.
8659 </para>
8660 </sect2>
8661
8662 <sect2>
8663 <title>List fusion</title>
8664
8665 <para>
8666 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
8667 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
8668 intermediate list should be eliminated entirely.
8669 </para>
8670
8671 <para>
8672 The following are good producers:
8673
8674 <itemizedlist>
8675 <listitem>
8676
8677 <para>
8678  List comprehensions
8679 </para>
8680 </listitem>
8681 <listitem>
8682
8683 <para>
8684  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
8685 </para>
8686 </listitem>
8687 <listitem>
8688
8689 <para>
8690  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
8691 </para>
8692 </listitem>
8693 <listitem>
8694
8695 <para>
8696  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
8697 </para>
8698 </listitem>
8699 <listitem>
8700
8701 <para>
8702  <function>++</function>
8703 </para>
8704 </listitem>
8705
8706 <listitem>
8707 <para>
8708  <function>map</function>
8709 </para>
8710 </listitem>
8711
8712 <listitem>
8713 <para>
8714 <function>take</function>, <function>filter</function>
8715 </para>
8716 </listitem>
8717 <listitem>
8718
8719 <para>
8720  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
8721 </para>
8722 </listitem>
8723 <listitem>
8724
8725 <para>
8726  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
8727 </para>
8728 </listitem>
8729
8730 </itemizedlist>
8731
8732 </para>
8733
8734 <para>
8735 The following are good consumers:
8736
8737 <itemizedlist>
8738 <listitem>
8739
8740 <para>
8741  List comprehensions
8742 </para>
8743 </listitem>
8744 <listitem>
8745
8746 <para>
8747  <function>array</function> (on its second argument)
8748 </para>
8749 </listitem>
8750 <listitem>
8751
8752 <para>
8753  <function>++</function> (on its first argument)
8754 </para>
8755 </listitem>
8756
8757 <listitem>
8758 <para>
8759  <function>foldr</function>
8760 </para>
8761 </listitem>
8762
8763 <listitem>
8764 <para>
8765  <function>map</function>
8766 </para>
8767 </listitem>
8768 <listitem>
8769
8770 <para>
8771 <function>take</function>, <function>filter</function>
8772 </para>
8773 </listitem>
8774 <listitem>
8775
8776 <para>
8777  <function>concat</function>
8778 </para>
8779 </listitem>
8780 <listitem>
8781
8782 <para>
8783  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
8784 </para>
8785 </listitem>
8786 <listitem>
8787
8788 <para>
8789  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
8790 will fuse with one but not the other)
8791 </para>
8792 </listitem>
8793 <listitem>
8794
8795 <para>
8796  <function>partition</function>
8797 </para>
8798 </listitem>
8799 <listitem>
8800
8801 <para>
8802  <function>head</function>
8803 </para>
8804 </listitem>
8805 <listitem>
8806
8807 <para>
8808  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
8809 </para>
8810 </listitem>
8811 <listitem>
8812
8813 <para>
8814  <function>sequence&lowbar;</function>
8815 </para>
8816 </listitem>
8817 <listitem>
8818
8819 <para>
8820  <function>msum</function>
8821 </para>
8822 </listitem>
8823 <listitem>
8824
8825 <para>
8826  <function>sortBy</function>
8827 </para>
8828 </listitem>
8829
8830 </itemizedlist>
8831
8832 </para>
8833
8834  <para>
8835 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
8836
8837 <programlisting>
8838 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
8839 </programlisting>
8840
8841 </para>
8842
8843 <para>
8844 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
8845 a lot which are not included, please tell us.
8846 </para>
8847
8848 <para>
8849 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
8850 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
8851 </para>
8852
8853 </sect2>
8854
8855 <sect2 id="rule-spec">
8856 <title>Specialisation
8857 </title>
8858
8859 <para>
8860 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
8861 present in earlier versions of GHC.
8862 For example, suppose that:
8863
8864 <programlisting>
8865 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
8866 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
8867 </programlisting>
8868
8869 where <function>intLookup</function> is an implementation of
8870 <function>genericLookup</function> that works very fast for
8871 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
8872 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
8873 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
8874 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
8875 It used to be possible to write
8876
8877 <programlisting>
8878 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
8879 </programlisting>
8880
8881 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
8882
8883 <programlisting>
8884 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
8885 </programlisting>
8886
8887 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
8888 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
8889 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
8890 What is more, this rule does not need to be in the same
8891 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
8892 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
8893 have an original definition available to specialise).
8894 </para>
8895
8896 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
8897 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
8898 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
8899
8900 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
8901 specialisation will Win Big:
8902
8903 <programlisting>
8904 toDouble :: Real a => a -> Double
8905 toDouble = fromRational . toRational
8906
8907 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
8908 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
8909 </programlisting>
8910
8911 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
8912 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
8913 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
8914 comparison.
8915 </para>
8916
8917 </sect2>
8918
8919 <sect2 id="controlling-rules">
8920 <title>Controlling what's going on in rewrite rules</title>
8921
8922 <para>
8923
8924 <itemizedlist>
8925 <listitem>
8926
8927 <para>
8928 Use <option>-ddump-rules</option> to see the rules that are defined
8929 <emphasis>in this module</emphasis>.
8930 This includes rules generated by the specialisation pass, but excludes
8931 rules imported from other modules. 
8932 </para>
8933 </listitem>
8934
8935 <listitem>
8936 <para>
8937  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
8938 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
8939 </para>
8940 </listitem>
8941
8942 <listitem>
8943 <para>
8944  Use <option>-ddump-rule-firings</option> or <option>-ddump-rule-rewrites</option>
8945 to see in great detail what rules are being fired.
8946 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a still more detailed listing.
8947 </para>
8948 </listitem>
8949
8950 <listitem>
8951 <para>
8952  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks like this:
8953
8954 <programlisting>
8955         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
8956         {-# INLINE build #-}
8957         build g = g (:) []
8958 </programlisting>
8959
8960 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
8961 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
8962 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
8963 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
8964
8965 </para>
8966 </listitem>
8967 <listitem>
8968
8969 <para>
8970  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
8971 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
8972 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
8973 </para>
8974 </listitem>
8975
8976 </itemizedlist>
8977
8978 </para>
8979
8980 </sect2>
8981
8982 <sect2 id="core-pragma">
8983   <title>CORE pragma</title>
8984
8985   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
8986   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
8987   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
8988
8989 <para>
8990   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
8991   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
8992   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
8993   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
8994   literal as an argument.  The following function definition shows an
8995   example:
8996
8997 <programlisting>
8998 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
8999 </programlisting>
9000
9001   Semantically, this is equivalent to:
9002
9003 <programlisting>
9004 g x = show x
9005 </programlisting>
9006 </para>
9007
9008 <para>
9009   However, when external core is generated (via
9010   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
9011   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
9012   The core function declaration for <function>f</function> is:
9013 </para>
9014
9015 <programlisting>
9016   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
9017                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
9018     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
9019         (%note "foo"
9020          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
9021            {GHCziShow.ZCDShow
9022             (tpl1::GHCziBase.Int ->
9023                    a ->
9024                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
9025 r)
9026             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
9027             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
9028                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
9029 r) ->
9030               tpl2})
9031         (%note "bar"
9032          eta);
9033 </programlisting>
9034
9035 <para>
9036   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
9037   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
9038   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
9039   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
9040   <varname>x</varname>).
9041 </para>
9042
9043 </sect2>
9044
9045 </sect1>
9046
9047 <sect1 id="special-ids">
9048 <title>Special built-in functions</title>
9049 <para>GHC has a few built-in functions with special behaviour.  These
9050 are now described in the module <ulink
9051 url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html"><literal>GHC.Prim</literal></ulink>
9052 in the library documentation.
9053 In particular:
9054 <itemizedlist>
9055 <listitem><para>
9056 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html#v%3Ainline"><literal>inline</literal></ulink>
9057 allows control over inlining on a per-call-site basis.
9058 </para></listitem>
9059 <listitem><para>
9060 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html#v%3Alazy"><literal>lazy</literal></ulink>
9061 restrains the strictness analyser.
9062 </para></listitem>
9063 <listitem><para>
9064 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html#v%3AunsafeCoerce%23"><literal>lazy</literal></ulink> 
9065 allows you to fool the type checker.
9066 </para></listitem>
9067 </itemizedlist>
9068 </para>
9069 </sect1>
9070
9071
9072 <sect1 id="generic-classes">
9073 <title>Generic classes</title>
9074
9075 <para>
9076 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
9077 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
9078 An example will give the idea:
9079 </para>
9080
9081 <programlisting>
9082   import Data.Generics
9083
9084   class Bin a where
9085     toBin   :: a -> [Int]
9086     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
9087   
9088     toBin {| Unit |}    Unit      = []
9089     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
9090     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
9091     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
9092   
9093     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
9094     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
9095     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
9096     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
9097                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
9098 </programlisting>
9099 <para>
9100 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
9101 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
9102 which are defined thus in the library module <literal>Data.Generics</literal>:
9103 </para>
9104 <programlisting>
9105   data Unit    = Unit
9106   data a :+: b = Inl a | Inr b
9107   data a :*: b = a :*: b
9108 </programlisting>
9109 <para>
9110 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
9111 <programlisting>
9112   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
9113   instance Bin a => Bin [a]
9114 </programlisting>
9115 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
9116 where clause and over-ride whichever methods you please.
9117 </para>
9118
9119     <sect2>
9120       <title> Using generics </title>
9121       <para>To use generics you need to</para>
9122       <itemizedlist>
9123         <listitem>
9124           <para>
9125             Use the flags <option>-XGenerics</option> (to enable the
9126             extra syntax and generate extra per-data-type code),
9127             and <option>-package syb</option> (to make the
9128             <literal>Data.Generics</literal> module available.
9129           </para>
9130         </listitem>
9131         <listitem>
9132           <para>Import the module <literal>Data.Generics</literal> from the
9133           <literal>syb</literal> package.  This import brings into
9134           scope the data types <literal>Unit</literal>,
9135           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
9136           don't need this import if you don't mention these types
9137           explicitly; for example, if you are simply giving instance
9138           declarations.)</para>
9139         </listitem>
9140       </itemizedlist>
9141     </sect2>
9142
9143 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
9144 <para>
9145 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
9146 can be written infix (indeed, you can now use
9147 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
9148 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
9149 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
9150 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
9151 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
9152 anticipate wanting).
9153 </para>
9154 </sect2>
9155
9156 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
9157 <para>
9158 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
9159 is one that is defined using type patterns as above.
9160 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
9161 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
9162 generic default method.
9163 </para>
9164
9165 <para>
9166 Restrictions:
9167 <itemizedlist>
9168 <listitem>
9169 <para>
9170 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
9171 field labels.
9172 </para>
9173 </listitem>
9174
9175 <listitem>
9176 <para>
9177 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
9178 multi-parameter class.
9179 </para>
9180 </listitem>
9181
9182 <listitem>
9183 <para>
9184 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
9185 without.  So this is illegal:
9186 <programlisting>
9187   class Foo a where
9188     op :: a -> (a, Bool)
9189     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
9190     op x               = (x,    False)
9191 </programlisting>
9192 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
9193 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
9194 </para>
9195 </listitem>
9196
9197 <listitem>
9198 <para>
9199 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
9200 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:
9201 <programlisting>
9202   class Foo a where
9203     op :: a -> Bool
9204     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
9205     ...
9206 </programlisting>
9207 </para>
9208 </listitem>
9209
9210 <listitem>
9211 <para>
9212 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
9213 <programlisting>
9214        a :+: b
9215        a :*: b
9216        Unit
9217 </programlisting>
9218 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
9219 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
9220 must use the same type variables.  So this is illegal:
9221 <programlisting>
9222   class Foo a where
9223     op :: a -> Bool
9224     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
9225     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
9226 </programlisting>
9227 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
9228 So this too is illegal:
9229 <programlisting>
9230   class Foo a where
9231     op1 :: a -> Bool
9232     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
9233
9234     op2 :: a -> Bool
9235     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
9236 </programlisting>
9237 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type constructor
9238 into a single generic instance declaration.)
9239 </para>
9240 </listitem>
9241
9242 <listitem>
9243 <para>
9244 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
9245 </para>
9246 </listitem>
9247
9248 <listitem>
9249 <para>
9250 The type for a generic method can be built only from:
9251   <itemizedlist>
9252   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
9253   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
9254   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
9255   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
9256   </itemizedlist>
9257 Here are some example type signatures for generic methods:
9258 <programlisting>
9259     op1 :: a -> Bool
9260     op2 :: Bool -> (a,Bool)
9261     op3 :: [Int] -> a -> a
9262     op4 :: [a] -> Bool
9263 </programlisting>
9264 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
9265 inside a list.  
9266 </para>
9267 <para>
9268 This restriction is an implementation restriction: we just haven't got around to
9269 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
9270 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
9271 to the ones that are allowed.</para>
9272 </listitem>
9273
9274 <listitem>
9275 <para>
9276 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
9277 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
9278 do so if
9279   <itemizedlist>
9280   <listitem>
9281   <para>
9282   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
9283   </para>
9284   </listitem>
9285   <listitem>
9286   <para>
9287   No constructor of the instance type has unboxed fields.
9288   </para>
9289   </listitem>
9290   </itemizedlist>
9291 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
9292 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
9293 provided you give explicit code to override any generic default methods.
9294 </para>
9295 </listitem>
9296
9297 </itemizedlist>
9298 </para>
9299
9300 <para>
9301 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
9302 what the compiler does with generic declarations.
9303 </para>
9304
9305 </sect2>
9306
9307 <sect2> <title> Another example </title>
9308 <para>
9309 Just to finish with, here's another example I rather like:
9310 <programlisting>
9311   class Tag a where
9312     nCons :: a -> Int
9313     nCons {| Unit |}    _ = 1
9314     nCons {| a :*: b |} _ = 1
9315     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
9316   
9317     tag :: a -> Int
9318     tag {| Unit |}    _       = 1
9319     tag {| a :*: b |} _       = 1   
9320     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
9321     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
9322 </programlisting>
9323 </para>
9324 </sect2>
9325 </sect1>
9326
9327 <sect1 id="monomorphism">
9328 <title>Control over monomorphism</title>
9329
9330 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
9331 carried out at let and where bindings.
9332 </para>
9333
9334 <sect2>
9335 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
9336           <indexterm><primary><option>-XNoMonomorphismRestriction</option></primary></indexterm>
9337
9338 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
9339 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
9340 4.5.5</ulink>
9341 of the Haskell Report)
9342 can be completely switched off by
9343 <option>-XNoMonomorphismRestriction</option>.
9344 </para>
9345 </sect2>
9346
9347 <sect2>
9348 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
9349           <indexterm><primary><option>-XNoMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
9350           <indexterm><primary><option>-XMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
9351
9352           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
9353           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
9354             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
9355             and is not a simple variable.  For example:
9356 <programlisting>
9357   f x = x                    -- Not a pattern binding
9358   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
9359   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
9360
9361   (g,h) = e                  -- A pattern binding
9362   (f) = e                    -- A pattern binding
9363   [x] = e                    -- A pattern binding
9364 </programlisting>
9365 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
9366 default</emphasis>.  Use <option>-XNoMonoPatBinds</option> to recover the
9367 standard behaviour.
9368 </para>
9369 </sect2>
9370 </sect1>
9371
9372
9373
9374 <!-- Emacs stuff:
9375      ;;; Local Variables: ***
9376      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
9377      ;;; ispell-local-dictionary: "british" ***
9378      ;;; End: ***
9379  -->
9380