5d1b5cf5f053bf3a3435740f51ee0a7a1c88d3f0
[ghc-hetmet.git] / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>The language option flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>Language options can be controlled in two ways:
46     <itemizedlist>
47       <listitem><para>Every language option can switched on by a command-line flag "<option>-X...</option>" 
48         (e.g. <option>-XTemplateHaskell</option>), and switched off by the flag "<option>-XNo...</option>"; 
49         (e.g. <option>-XNoTemplateHaskell</option>).</para></listitem>
50       <listitem><para>
51           Language options recognised by Cabal can also be enabled using the <literal>LANGUAGE</literal> pragma,
52           thus <literal>{-# LANGUAGE TemplateHaskell #-}</literal> (see <xref linkend="language-pragma"/>). </para>
53           </listitem>
54       </itemizedlist></para>
55
56     <para>The flag <option>-fglasgow-exts</option>
57           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
58           is equivalent to enabling the following extensions: 
59           <option>-XPrintExplicitForalls</option>,
60           <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
61           <option>-XUnliftedFFITypes</option>,
62           <option>-XGADTs</option>,
63           <option>-XImplicitParams</option>,
64           <option>-XScopedTypeVariables</option>,
65           <option>-XUnboxedTuples</option>,
66           <option>-XTypeSynonymInstances</option>,
67           <option>-XStandaloneDeriving</option>,
68           <option>-XDeriveDataTypeable</option>,
69           <option>-XFlexibleContexts</option>,
70           <option>-XFlexibleInstances</option>,
71           <option>-XConstrainedClassMethods</option>,
72           <option>-XMultiParamTypeClasses</option>,
73           <option>-XFunctionalDependencies</option>,
74           <option>-XMagicHash</option>,
75           <option>-XPolymorphicComponents</option>,
76           <option>-XExistentialQuantification</option>,
77           <option>-XUnicodeSyntax</option>,
78           <option>-XPostfixOperators</option>,
79           <option>-XPatternGuards</option>,
80           <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
81           <option>-XRankNTypes</option>,
82           <option>-XImpredicativeTypes</option>,
83           <option>-XTypeOperators</option>,
84           <option>-XRecursiveDo</option>,
85           <option>-XParallelListComp</option>,
86           <option>-XEmptyDataDecls</option>,
87           <option>-XKindSignatures</option>,
88           <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
89           <option>-XTypeFamilies</option>.
90             Enabling these options is the <emphasis>only</emphasis> 
91             effect of <option>-fglasgow-exts</option>.
92           We are trying to move away from this portmanteau flag, 
93           and towards enabling features individually.</para>
94
95   </sect1>
96
97 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
98 <sect1 id="primitives">
99   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
100
101 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations;
102 "primitive" in the sense that they cannot be defined in Haskell itself.
103 While you really can use this stuff to write fast code,
104   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
105   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
106   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
107   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
108   about it.</para>
109
110 <para>All these primitive data types and operations are exported by the 
111 library <literal>GHC.Prim</literal>, for which there is 
112 <ulink url="../libraries/base/GHC.Prim.html">detailed online documentation</ulink>.
113 (This documentation is generated from the file <filename>compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.)
114 </para>
115 <para>
116 If you want to mention any of the primitive data types or operations in your
117 program, you must first import <literal>GHC.Prim</literal> to bring them
118 into scope.  Many of them have names ending in "&num;", and to mention such
119 names you need the <option>-XMagicHash</option> extension (<xref linkend="magic-hash"/>).
120 </para>
121
122 <para>The primops make extensive use of <link linkend="glasgow-unboxed">unboxed types</link> 
123 and <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link>, which
124 we briefly summarise here. </para>
125   
126 <sect2 id="glasgow-unboxed">
127 <title>Unboxed types
128 </title>
129
130 <para>
131 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
132 </para>
133
134 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
135 that values of that type are represented by a pointer to a heap
136 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
137 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
138 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
139 allocation are involved.
140 </para>
141
142 <para>
143 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
144 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
145 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
146 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
147 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
148 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
149 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
150 know and love&mdash;usually one instruction.
151 </para>
152
153 <para>
154 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
155 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
156 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
157 bottom.  We use the convention (but it is only a convention) 
158 that primitive types, values, and
159 operations have a <literal>&num;</literal> suffix (see <xref linkend="magic-hash"/>).
160 For some primitive types we have special syntax for literals, also
161 described in the <link linkend="magic-hash">same section</link>.
162 </para>
163
164 <para>
165 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
166 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
167 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
168 a primitive value might be represented by a pointer to a
169 heap-allocated object.  Examples include
170 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
171 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
172 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
173 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
174 represents a primitive value, then it really does point to that value:
175 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
176 other end of the pointer than the primitive value.
177 A numerically-intensive program using unboxed types can
178 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
179 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
180 </para>
181
182 <para>
183 There are some restrictions on the use of primitive types:
184 <itemizedlist>
185 <listitem><para>The main restriction
186 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
187 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
188 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
189 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
190 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
191 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
192 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
193 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
194 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
195 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
196 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
197 </para>
198 </listitem>
199 <listitem><para> You cannot define a newtype whose representation type
200 (the argument type of the data constructor) is an unboxed type.  Thus,
201 this is illegal:
202 <programlisting>
203   newtype A = MkA Int#
204 </programlisting>
205 </para></listitem>
206 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
207 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
208 </para></listitem>
209 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
210 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
211 </para></listitem>
212 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
213 non-top-level) pattern binding, but you must make any such pattern-match
214 strict.  For example, rather than:
215 <programlisting>
216   data Foo = Foo Int Int#
217
218   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
219 </programlisting>
220 you must write:
221 <programlisting>
222   data Foo = Foo Int Int#
223
224   f x = let !(Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
225 </programlisting>
226 since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>.
227 </para>
228 </listitem>
229 </itemizedlist>
230 </para>
231
232 </sect2>
233
234 <sect2 id="unboxed-tuples">
235 <title>Unboxed Tuples
236 </title>
237
238 <para>
239 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
240 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
241 unboxed tuple looks like this:
242 </para>
243
244 <para>
245
246 <programlisting>
247 (# e_1, ..., e_n #)
248 </programlisting>
249
250 </para>
251
252 <para>
253 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
254 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
255 the same.
256 </para>
257
258 <para>
259 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
260 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
261 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
262 components are put directly into registers or on the stack; the
263 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
264 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
265 tuples.
266 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
267 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
268 </para>
269
270 <para>
271 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
272 <itemizedlist>
273 <listitem>
274
275 <para>
276 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
277 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
278 structures or passed to polymorphic functions.
279
280 </para>
281 </listitem>
282 <listitem>
283
284 <para>
285 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
286 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
287
288
289 <programlisting>
290   data Foo = Foo (# Int, Int #)
291
292   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
293   f x = x
294
295   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
296   g (# a,b #) = a
297
298   h x = let y = (# x,x #) in ...
299 </programlisting>
300 </para>
301 </listitem>
302 </itemizedlist>
303 </para>
304 <para>
305 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
306 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
307 <programlisting>
308   f x y = (# x+1, y-1 #)
309   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
310 </programlisting>
311 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
312 <programlisting>
313   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
314 </programlisting>
315 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
316 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
317 above example desugars like this:
318 <programlisting>
319   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
320             p = fst t
321             q = snd t
322         in ..body..
323 </programlisting>
324 Indeed, the bindings can even be recursive.
325 </para>
326
327 </sect2>
328 </sect1>
329
330
331 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
332
333 <sect1 id="syntax-extns">
334 <title>Syntactic extensions</title>
335  
336     <sect2 id="unicode-syntax">
337       <title>Unicode syntax</title>
338       <para>The language
339       extension <option>-XUnicodeSyntax</option><indexterm><primary><option>-XUnicodeSyntax</option></primary></indexterm>
340       enables Unicode characters to be used to stand for certain ASCII
341       character sequences.  The following alternatives are provided:</para>
342
343       <informaltable>
344         <tgroup cols="2" align="left" colsep="1" rowsep="1">
345           <thead>
346             <row>
347               <entry>ASCII</entry>
348               <entry>Unicode alternative</entry>
349               <entry>Code point</entry>
350               <entry>Name</entry>
351             </row>
352           </thead>
353           <tbody>
354             <row>
355               <entry><literal>::</literal></entry>
356               <entry>::</entry> <!-- no special char, apparently -->
357               <entry>0x2237</entry>
358               <entry>PROPORTION</entry>
359             </row>
360           </tbody>
361           <tbody>
362             <row>
363               <entry><literal>=&gt;</literal></entry>
364               <entry>&rArr;</entry>
365               <entry>0x21D2</entry>
366               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW</entry>
367             </row>
368           </tbody>
369           <tbody>
370             <row>
371               <entry><literal>forall</literal></entry>
372               <entry>&forall;</entry>
373               <entry>0x2200</entry>
374               <entry>FOR ALL</entry>
375             </row>
376           </tbody>
377           <tbody>
378             <row>
379               <entry><literal>-&gt;</literal></entry>
380               <entry>&rarr;</entry>
381               <entry>0x2192</entry>
382               <entry>RIGHTWARDS ARROW</entry>
383             </row>
384           </tbody>
385           <tbody>
386             <row>
387               <entry><literal>&lt;-</literal></entry>
388               <entry>&larr;</entry>
389               <entry>0x2190</entry>
390               <entry>LEFTWARDS ARROW</entry>
391             </row>
392           </tbody>
393           <tbody>
394             <row>
395               <entry>..</entry>
396               <entry>&hellip;</entry>
397               <entry>0x22EF</entry>
398               <entry>MIDLINE HORIZONTAL ELLIPSIS</entry>
399             </row>
400           </tbody>
401         </tgroup>
402       </informaltable>
403     </sect2>
404
405     <sect2 id="magic-hash">
406       <title>The magic hash</title>
407       <para>The language extension <option>-XMagicHash</option> allows "&num;" as a
408         postfix modifier to identifiers.  Thus, "x&num;" is a valid variable, and "T&num;" is
409         a valid type constructor or data constructor.</para>
410
411       <para>The hash sign does not change sematics at all.  We tend to use variable
412         names ending in "&num;" for unboxed values or types (e.g. <literal>Int&num;</literal>), 
413         but there is no requirement to do so; they are just plain ordinary variables.
414         Nor does the <option>-XMagicHash</option> extension bring anything into scope.
415         For example, to bring <literal>Int&num;</literal> into scope you must 
416         import <literal>GHC.Prim</literal> (see <xref linkend="primitives"/>); 
417         the <option>-XMagicHash</option> extension
418         then allows you to <emphasis>refer</emphasis> to the <literal>Int&num;</literal>
419         that is now in scope.</para>
420       <para> The <option>-XMagicHash</option> also enables some new forms of literals (see <xref linkend="glasgow-unboxed"/>):
421         <itemizedlist> 
422           <listitem><para> <literal>'x'&num;</literal> has type <literal>Char&num;</literal></para> </listitem>
423           <listitem><para> <literal>&quot;foo&quot;&num;</literal> has type <literal>Addr&num;</literal></para> </listitem>
424           <listitem><para> <literal>3&num;</literal> has type <literal>Int&num;</literal>. In general,
425           any Haskell 98 integer lexeme followed by a <literal>&num;</literal> is an <literal>Int&num;</literal> literal, e.g.
426             <literal>-0x3A&num;</literal> as well as <literal>32&num;</literal></para>.</listitem>
427           <listitem><para> <literal>3&num;&num;</literal> has type <literal>Word&num;</literal>. In general,
428           any non-negative Haskell 98 integer lexeme followed by <literal>&num;&num;</literal> 
429               is a <literal>Word&num;</literal>. </para> </listitem>
430           <listitem><para> <literal>3.2&num;</literal> has type <literal>Float&num;</literal>.</para> </listitem>
431           <listitem><para> <literal>3.2&num;&num;</literal> has type <literal>Double&num;</literal></para> </listitem>
432           </itemizedlist>
433       </para>
434    </sect2>
435
436     <sect2 id="new-qualified-operators">
437       <title>New qualified operator syntax</title>
438
439       <para>A new syntax for referencing qualified operators is
440         planned to be introduced by Haskell', and is enabled in GHC
441         with
442         the <option>-XNewQualifiedOperators</option><indexterm><primary><option>-XNewQualifiedOperators</option></primary></indexterm>
443         option.  In the new syntax, the prefix form of a qualified
444         operator is
445         written <literal><replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>
446         (in Haskell 98 this would
447         be <literal>(<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>),
448         and the infix form is
449         written <literal>`<replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)`</literal>
450         (in Haskell 98 this would
451         be <literal>`<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>`</literal>.
452         For example:
453 <programlisting>
454   add x y = Prelude.(+) x y
455   subtract y = (`Prelude.(-)` y)
456 </programlisting>
457         The new form of qualified operators is intended to regularise
458         the syntax by eliminating odd cases
459         like <literal>Prelude..</literal>.  For example,
460         when <literal>NewQualifiedOperators</literal> is on, it is possible to
461         write the enumerated sequence <literal>[Monday..]</literal>
462         without spaces, whereas in Haskell 98 this would be a
463         reference to the operator &lsquo;<literal>.</literal>&lsquo;
464         from module <literal>Monday</literal>.</para>
465
466       <para>When <option>-XNewQualifiedOperators</option> is on, the old Haskell
467         98 syntax for qualified operators is not accepted, so this
468         option may cause existing Haskell 98 code to break.</para>
469
470     </sect2>
471         
472
473     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
474
475
476     <sect2 id="hierarchical-modules">
477       <title>Hierarchical Modules</title>
478
479       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
480       names: a module name is allowed to contain a dot
481       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
482       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
483       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
484       more flexible hierarchy of modules.</para>
485
486       <para>This extension has very little impact on the language
487       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
488       qualified, so you can just think of the fully qualified module
489       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
490       means that the full module name must be given after the
491       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
492       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
493       begin</para>
494
495 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
496
497
498       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
499       keyword to save some typing when using qualified names with
500       hierarchical modules.  For example:</para>
501
502 <programlisting>
503 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
504 </programlisting>
505
506       <para>For details on how GHC searches for source and interface
507       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
508       linkend="search-path"/>.</para>
509
510       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
511       hierarchically; see the accompanying <ulink
512       url="../libraries/index.html">library
513       documentation</ulink>.  More libraries to install are available
514       from <ulink
515       url="http://hackage.haskell.org/packages/hackage.html">HackageDB</ulink>.</para>
516     </sect2>
517
518     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
519
520 <sect2 id="pattern-guards">
521 <title>Pattern guards</title>
522
523 <para>
524 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
525 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.)
526 </para>
527
528 <para>
529 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
530 lookup operation:
531
532 <programlisting>
533 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
534 </programlisting>
535
536 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
537 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
538 </para>
539
540 <programlisting>
541 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
542 | otherwise  = var1 + var2
543 where
544   m1 = lookup env var1
545   m2 = lookup env var2
546   ok1 = maybeToBool m1
547   ok2 = maybeToBool m2
548   val1 = expectJust m1
549   val2 = expectJust m2
550 </programlisting>
551
552 <para>
553 The auxiliary functions are 
554 </para>
555
556 <programlisting>
557 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
558 maybeToBool (Just x) = True
559 maybeToBool Nothing  = False
560
561 expectJust :: Maybe a -&gt; a
562 expectJust (Just x) = x
563 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
564 </programlisting>
565
566 <para>
567 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
568 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
569 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
570 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
571 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
572 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
573 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
574 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
575 </para>
576
577 <para>
578 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
579 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
580 to write clunky would be to use case expressions:
581 </para>
582
583 <programlisting>
584 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
585   Nothing -&gt; fail
586   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
587     Nothing -&gt; fail
588     Just val2 -&gt; val1 + val2
589 where
590   fail = var1 + var2
591 </programlisting>
592
593 <para>
594 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
595 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
596 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
597 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
598 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
599 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
600 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
601 tends to become more and more indented. 
602 </para>
603
604 <para>
605 Here is how I would write clunky:
606 </para>
607
608 <programlisting>
609 clunky env var1 var2
610   | Just val1 &lt;- lookup env var1
611   , Just val2 &lt;- lookup env var2
612   = val1 + val2
613 ...other equations for clunky...
614 </programlisting>
615
616 <para>
617 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
618 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
619 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
620 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
621 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
622 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
623 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
624 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
625 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
626 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
627 </para>
628
629 <para>
630 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
631 with among the pattern guards.  For example:
632 </para>
633
634 <programlisting>
635 f x | [y] &lt;- x
636     , y > 3
637     , Just z &lt;- h y
638     = ...
639 </programlisting>
640
641 <para>
642 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
643 qualifier list has just one element, a boolean expression.
644 </para>
645 </sect2>
646
647     <!-- ===================== View patterns ===================  -->
648
649 <sect2 id="view-patterns">
650 <title>View patterns
651 </title>
652
653 <para>
654 View patterns are enabled by the flag <literal>-XViewPatterns</literal>.
655 More information and examples of view patterns can be found on the
656 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/ViewPatterns">Wiki
657 page</ulink>.
658 </para>
659
660 <para>
661 View patterns are somewhat like pattern guards that can be nested inside
662 of other patterns.  They are a convenient way of pattern-matching
663 against values of abstract types. For example, in a programming language
664 implementation, we might represent the syntax of the types of the
665 language as follows:
666
667 <programlisting>
668 type Typ
669  
670 data TypView = Unit
671              | Arrow Typ Typ
672
673 view :: Type -> TypeView
674
675 -- additional operations for constructing Typ's ...
676 </programlisting>
677
678 The representation of Typ is held abstract, permitting implementations
679 to use a fancy representation (e.g., hash-consing to manage sharing).
680
681 Without view patterns, using this signature a little inconvenient: 
682 <programlisting>
683 size :: Typ -> Integer
684 size t = case view t of
685   Unit -> 1
686   Arrow t1 t2 -> size t1 + size t2
687 </programlisting>
688
689 It is necessary to iterate the case, rather than using an equational
690 function definition. And the situation is even worse when the matching
691 against <literal>t</literal> is buried deep inside another pattern.
692 </para>
693
694 <para>
695 View patterns permit calling the view function inside the pattern and
696 matching against the result: 
697 <programlisting>
698 size (view -> Unit) = 1
699 size (view -> Arrow t1 t2) = size t1 + size t2
700 </programlisting>
701
702 That is, we add a new form of pattern, written
703 <replaceable>expression</replaceable> <literal>-></literal>
704 <replaceable>pattern</replaceable> that means "apply the expression to
705 whatever we're trying to match against, and then match the result of
706 that application against the pattern". The expression can be any Haskell
707 expression of function type, and view patterns can be used wherever
708 patterns are used.
709 </para>
710
711 <para>
712 The semantics of a pattern <literal>(</literal>
713 <replaceable>exp</replaceable> <literal>-></literal>
714 <replaceable>pat</replaceable> <literal>)</literal> are as follows:
715
716 <itemizedlist>
717
718 <listitem> Scoping:
719
720 <para>The variables bound by the view pattern are the variables bound by
721 <replaceable>pat</replaceable>.
722 </para>
723
724 <para>
725 Any variables in <replaceable>exp</replaceable> are bound occurrences,
726 but variables bound "to the left" in a pattern are in scope.  This
727 feature permits, for example, one argument to a function to be used in
728 the view of another argument.  For example, the function
729 <literal>clunky</literal> from <xref linkend="pattern-guards" /> can be
730 written using view patterns as follows:
731
732 <programlisting>
733 clunky env (lookup env -> Just val1) (lookup env -> Just val2) = val1 + val2
734 ...other equations for clunky...
735 </programlisting>
736 </para>
737
738 <para>
739 More precisely, the scoping rules are: 
740 <itemizedlist>
741 <listitem>
742 <para>
743 In a single pattern, variables bound by patterns to the left of a view
744 pattern expression are in scope. For example:
745 <programlisting>
746 example :: Maybe ((String -> Integer,Integer), String) -> Bool
747 example Just ((f,_), f -> 4) = True
748 </programlisting>
749
750 Additionally, in function definitions, variables bound by matching earlier curried
751 arguments may be used in view pattern expressions in later arguments:
752 <programlisting>
753 example :: (String -> Integer) -> String -> Bool
754 example f (f -> 4) = True
755 </programlisting>
756 That is, the scoping is the same as it would be if the curried arguments
757 were collected into a tuple.  
758 </para>
759 </listitem>
760
761 <listitem>
762 <para>
763 In mutually recursive bindings, such as <literal>let</literal>,
764 <literal>where</literal>, or the top level, view patterns in one
765 declaration may not mention variables bound by other declarations.  That
766 is, each declaration must be self-contained.  For example, the following
767 program is not allowed:
768 <programlisting>
769 let {(x -> y) = e1 ;
770      (y -> x) = e2 } in x
771 </programlisting>
772
773 (We may lift this
774 restriction in the future; the only cost is that type checking patterns
775 would get a little more complicated.)  
776
777
778 </para>
779 </listitem>
780 </itemizedlist>
781
782 </para>
783 </listitem>
784
785 <listitem><para> Typing: If <replaceable>exp</replaceable> has type
786 <replaceable>T1</replaceable> <literal>-></literal>
787 <replaceable>T2</replaceable> and <replaceable>pat</replaceable> matches
788 a <replaceable>T2</replaceable>, then the whole view pattern matches a
789 <replaceable>T1</replaceable>.
790 </para></listitem>
791
792 <listitem><para> Matching: To the equations in Section 3.17.3 of the
793 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/">Haskell 98
794 Report</ulink>, add the following:
795 <programlisting>
796 case v of { (e -> p) -> e1 ; _ -> e2 } 
797  = 
798 case (e v) of { p -> e1 ; _ -> e2 }
799 </programlisting>
800 That is, to match a variable <replaceable>v</replaceable> against a pattern
801 <literal>(</literal> <replaceable>exp</replaceable>
802 <literal>-></literal> <replaceable>pat</replaceable>
803 <literal>)</literal>, evaluate <literal>(</literal>
804 <replaceable>exp</replaceable> <replaceable> v</replaceable>
805 <literal>)</literal> and match the result against
806 <replaceable>pat</replaceable>.  
807 </para></listitem>
808
809 <listitem><para> Efficiency: When the same view function is applied in
810 multiple branches of a function definition or a case expression (e.g.,
811 in <literal>size</literal> above), GHC makes an attempt to collect these
812 applications into a single nested case expression, so that the view
813 function is only applied once.  Pattern compilation in GHC follows the
814 matrix algorithm described in Chapter 4 of <ulink
815 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/slpj-book-1987/">The
816 Implementation of Functional Programming Languages</ulink>.  When the
817 top rows of the first column of a matrix are all view patterns with the
818 "same" expression, these patterns are transformed into a single nested
819 case.  This includes, for example, adjacent view patterns that line up
820 in a tuple, as in
821 <programlisting>
822 f ((view -> A, p1), p2) = e1
823 f ((view -> B, p3), p4) = e2
824 </programlisting>
825 </para>
826
827 <para> The current notion of when two view pattern expressions are "the
828 same" is very restricted: it is not even full syntactic equality.
829 However, it does include variables, literals, applications, and tuples;
830 e.g., two instances of <literal>view ("hi", "there")</literal> will be
831 collected.  However, the current implementation does not compare up to
832 alpha-equivalence, so two instances of <literal>(x, view x ->
833 y)</literal> will not be coalesced.
834 </para>
835
836 </listitem>
837
838 </itemizedlist>
839 </para>
840
841 </sect2>
842
843     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
844
845 <sect2 id="mdo-notation">
846 <title>The recursive do-notation
847 </title>
848
849 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
850 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>,
851 by Levent Erkok, John Launchbury,
852 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
853 This paper is essential reading for anyone making non-trivial use of mdo-notation,
854 and we do not repeat it here.
855 </para>
856 <para>
857 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
858 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
859 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
860 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
861 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
862 </para>
863 <para>
864 Here is a simple (yet contrived) example:
865 </para>
866 <programlisting>
867 import Control.Monad.Fix
868
869 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
870                return xs
871 </programlisting>
872 <para>
873 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
874 </para>
875
876 <para>
877 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
878 </para>
879 <programlisting>
880 class Monad m => MonadFix m where
881    mfix :: (a -> m a) -> m a
882 </programlisting>
883 <para>
884 The function <literal>mfix</literal>
885 dictates how the required recursion operation should be performed.  For example, 
886 <literal>justOnes</literal> desugars as follows:
887 <programlisting>
888 justOnes = mfix (\xs' -&gt; do { xs &lt;- Just (1:xs'); return xs }
889 </programlisting>
890 For full details of the way in which mdo is typechecked and desugared, see 
891 the paper <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>.
892 In particular, GHC implements the segmentation technique described in Section 3.2 of the paper.
893 </para>
894 <para>
895 If recursive bindings are required for a monad,
896 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
897 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
898 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
899 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
900 </para>
901 <para>
902 Here are some important points in using the recursive-do notation:
903 <itemizedlist>
904 <listitem><para>
905 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
906 than <literal>do</literal>).
907 </para></listitem>
908
909 <listitem><para>
910 It is enabled with the flag <literal>-XRecursiveDo</literal>, which is in turn implied by
911 <literal>-fglasgow-exts</literal>.
912 </para></listitem>
913
914 <listitem><para>
915 Unlike ordinary do-notation, but like <literal>let</literal> and <literal>where</literal> bindings,
916 name shadowing is not allowed; that is, all the names bound in a single <literal>mdo</literal> must
917 be distinct (Section 3.3 of the paper).
918 </para></listitem>
919
920 <listitem><para>
921 Variables bound by a <literal>let</literal> statement in an <literal>mdo</literal>
922 are monomorphic in the <literal>mdo</literal> (Section 3.1 of the paper).  However
923 GHC breaks the <literal>mdo</literal> into segments to enhance polymorphism,
924 and improve termination (Section 3.2 of the paper).
925 </para></listitem>
926 </itemizedlist>
927 </para>
928
929 <para>
930 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
931 of the existing documents) used the name
932 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
933 This name is not supported by GHC.
934 </para>
935
936 </sect2>
937
938
939    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
940
941   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
942     <title>Parallel List Comprehensions</title>
943     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
944     </indexterm>
945     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
946     </indexterm>
947
948     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
949     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
950     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
951     extend this to include the zipWith family.</para>
952
953     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
954     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
955     example, the following zips together two lists:</para>
956
957 <programlisting>
958    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
959 </programlisting>
960
961     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
962     zip, in that the resulting list will have the same length as the
963     shortest branch.</para>
964
965     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
966     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
967
968     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
969
970 <programlisting>
971    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
972        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
973        ... 
974    ] 
975 </programlisting>
976
977     <para>This will be translated to: </para>
978
979 <programlisting>
980    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
981                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
982                                          ... 
983    ] 
984 </programlisting>
985
986     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
987     branches.</para>
988
989   </sect2>
990   
991   <!-- ===================== TRANSFORM LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
992
993   <sect2 id="generalised-list-comprehensions">
994     <title>Generalised (SQL-Like) List Comprehensions</title>
995     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>generalised</secondary>
996     </indexterm>
997     <indexterm><primary>extended list comprehensions</primary>
998     </indexterm>
999     <indexterm><primary>group</primary></indexterm>
1000     <indexterm><primary>sql</primary></indexterm>
1001
1002
1003     <para>Generalised list comprehensions are a further enhancement to the
1004     list comprehension syntatic sugar to allow operations such as sorting
1005     and grouping which are familiar from SQL.   They are fully described in the
1006         paper <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/list-comp">
1007           Comprehensive comprehensions: comprehensions with "order by" and "group by"</ulink>,
1008     except that the syntax we use differs slightly from the paper.</para>
1009 <para>The extension is enabled with the flag <option>-XTransformListComp</option>.</para>
1010 <para>Here is an example: 
1011 <programlisting>
1012 employees = [ ("Simon", "MS", 80)
1013 , ("Erik", "MS", 100)
1014 , ("Phil", "Ed", 40)
1015 , ("Gordon", "Ed", 45)
1016 , ("Paul", "Yale", 60)]
1017
1018 output = [ (the dept, sum salary)
1019 | (name, dept, salary) &lt;- employees
1020 , then group by dept
1021 , then sortWith by (sum salary)
1022 , then take 5 ]
1023 </programlisting>
1024 In this example, the list <literal>output</literal> would take on 
1025     the value:
1026     
1027 <programlisting>
1028 [("Yale", 60), ("Ed", 85), ("MS", 180)]
1029 </programlisting>
1030 </para>
1031 <para>There are three new keywords: <literal>group</literal>, <literal>by</literal>, and <literal>using</literal>.
1032 (The function <literal>sortWith</literal> is not a keyword; it is an ordinary
1033 function that is exported by <literal>GHC.Exts</literal>.)</para>
1034
1035 <para>There are five new forms of comprehension qualifier,
1036 all introduced by the (existing) keyword <literal>then</literal>:
1037     <itemizedlist>
1038     <listitem>
1039     
1040 <programlisting>
1041 then f
1042 </programlisting>
1043
1044     This statement requires that <literal>f</literal> have the type <literal>
1045     forall a. [a] -> [a]</literal>. You can see an example of it's use in the
1046     motivating example, as this form is used to apply <literal>take 5</literal>.
1047     
1048     </listitem>
1049     
1050     
1051     <listitem>
1052 <para>
1053 <programlisting>
1054 then f by e
1055 </programlisting>
1056
1057     This form is similar to the previous one, but allows you to create a function
1058     which will be passed as the first argument to f. As a consequence f must have 
1059     the type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [a]</literal>. As you can see
1060     from the type, this function lets f &quot;project out&quot; some information 
1061     from the elements of the list it is transforming.</para>
1062
1063     <para>An example is shown in the opening example, where <literal>sortWith</literal> 
1064     is supplied with a function that lets it find out the <literal>sum salary</literal> 
1065     for any item in the list comprehension it transforms.</para>
1066
1067     </listitem>
1068
1069
1070     <listitem>
1071
1072 <programlisting>
1073 then group by e using f
1074 </programlisting>
1075
1076     <para>This is the most general of the grouping-type statements. In this form,
1077     f is required to have type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [[a]]</literal>.
1078     As with the <literal>then f by e</literal> case above, the first argument
1079     is a function supplied to f by the compiler which lets it compute e on every
1080     element of the list being transformed. However, unlike the non-grouping case,
1081     f additionally partitions the list into a number of sublists: this means that
1082     at every point after this statement, binders occurring before it in the comprehension
1083     refer to <emphasis>lists</emphasis> of possible values, not single values. To help understand
1084     this, let's look at an example:</para>
1085     
1086 <programlisting>
1087 -- This works similarly to groupWith in GHC.Exts, but doesn't sort its input first
1088 groupRuns :: Eq b => (a -> b) -> [a] -> [[a]]
1089 groupRuns f = groupBy (\x y -> f x == f y)
1090
1091 output = [ (the x, y)
1092 | x &lt;- ([1..3] ++ [1..2])
1093 , y &lt;- [4..6]
1094 , then group by x using groupRuns ]
1095 </programlisting>
1096
1097     <para>This results in the variable <literal>output</literal> taking on the value below:</para>
1098
1099 <programlisting>
1100 [(1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6]), (3, [4, 5, 6]), (1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6])]
1101 </programlisting>
1102
1103     <para>Note that we have used the <literal>the</literal> function to change the type 
1104     of x from a list to its original numeric type. The variable y, in contrast, is left 
1105     unchanged from the list form introduced by the grouping.</para>
1106
1107     </listitem>
1108
1109     <listitem>
1110
1111 <programlisting>
1112 then group by e
1113 </programlisting>
1114
1115     <para>This form of grouping is essentially the same as the one described above. However,
1116     since no function to use for the grouping has been supplied it will fall back on the
1117     <literal>groupWith</literal> function defined in 
1118     <ulink url="../libraries/base/GHC-Exts.html"><literal>GHC.Exts</literal></ulink>. This
1119     is the form of the group statement that we made use of in the opening example.</para>
1120
1121     </listitem>
1122     
1123     
1124     <listitem>
1125
1126 <programlisting>
1127 then group using f
1128 </programlisting>
1129
1130     <para>With this form of the group statement, f is required to simply have the type
1131     <literal>forall a. [a] -> [[a]]</literal>, which will be used to group up the
1132     comprehension so far directly. An example of this form is as follows:</para>
1133     
1134 <programlisting>
1135 output = [ x
1136 | y &lt;- [1..5]
1137 , x &lt;- "hello"
1138 , then group using inits]
1139 </programlisting>
1140
1141     <para>This will yield a list containing every prefix of the word "hello" written out 5 times:</para>
1142
1143 <programlisting>
1144 ["","h","he","hel","hell","hello","helloh","hellohe","hellohel","hellohell","hellohello","hellohelloh",...]
1145 </programlisting>
1146
1147     </listitem>
1148 </itemizedlist>
1149 </para>
1150   </sect2>
1151
1152    <!-- ===================== REBINDABLE SYNTAX ===================  -->
1153
1154 <sect2 id="rebindable-syntax">
1155 <title>Rebindable syntax and the implicit Prelude import</title>
1156
1157  <para><indexterm><primary>-XNoImplicitPrelude
1158  option</primary></indexterm> GHC normally imports
1159  <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
1160  rather it didn't, then give it a
1161  <option>-XNoImplicitPrelude</option> option.  The idea is
1162  that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
1163  call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
1164  namespace is flat, and you must not conflict with any
1165  Prelude module.)</para>
1166
1167             <para>Suppose you are importing a Prelude of your own
1168               in order to define your own numeric class
1169             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
1170             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
1171             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
1172             So the <option>-XNoImplicitPrelude</option> 
1173               flag <emphasis>also</emphasis> causes
1174             the following pieces of built-in syntax to refer to
1175             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
1176             versions:
1177             <itemizedlist>
1178               <listitem>
1179                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
1180                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
1181                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
1182 </para> </listitem>         
1183
1184       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
1185           except that the translation is 
1186               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
1187 </para> </listitem>         
1188
1189           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
1190               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
1191 </para> </listitem>         
1192
1193           <listitem><para>The subtraction operation, and the
1194           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
1195               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
1196               </para></listitem>
1197
1198               <listitem>
1199                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
1200                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
1201                 patterns, and expressions.
1202               </para></listitem>
1203
1204               <listitem>
1205           <para>"Do" notation is translated using whatever
1206               functions <literal>(>>=)</literal>,
1207               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
1208               are in scope (not the Prelude
1209               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
1210               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
1211
1212               <listitem>
1213                 <para>Arrow
1214                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
1215                 uses whatever <literal>arr</literal>,
1216                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
1217                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
1218                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
1219                 other constructs, the types of these functions must match the
1220                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
1221                 to use this, ask!
1222               </para></listitem>
1223             </itemizedlist>
1224 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
1225 even if that is a little unexpected. For example, the 
1226 static semantics of the literal <literal>368</literal>
1227 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
1228 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
1229 <programlisting>
1230 fromInteger :: Integer -> Integer
1231 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
1232 fromInteger :: Num a => a -> Integer
1233 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
1234 </programlisting>
1235 </para>
1236                 
1237              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
1238              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
1239              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
1240              you should be all right.</para>
1241
1242 </sect2>
1243
1244 <sect2 id="postfix-operators">
1245 <title>Postfix operators</title>
1246
1247 <para>
1248   The <option>-XPostfixOperators</option> flag enables a small
1249 extension to the syntax of left operator sections, which allows you to
1250 define postfix operators.  The extension is this: the left section
1251 <programlisting>
1252   (e !)
1253 </programlisting>
1254 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
1255 <programlisting>
1256   ((!) e)
1257 </programlisting>
1258 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
1259 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
1260 <programlisting>
1261   (\y -> (!) e y)
1262 </programlisting>
1263 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
1264 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
1265 postfix.
1266 </para>
1267 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
1268 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
1269
1270 </sect2>
1271
1272 <sect2 id="disambiguate-fields">
1273 <title>Record field disambiguation</title>
1274 <para>
1275 In record construction and record pattern matching
1276 it is entirely unambiguous which field is referred to, even if there are two different
1277 data types in scope with a common field name.  For example:
1278 <programlisting>
1279 module M where
1280   data S = MkS { x :: Int, y :: Bool }
1281
1282 module Foo where
1283   import M
1284
1285   data T = MkT { x :: Int }
1286   
1287   ok1 (MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1288
1289   ok2 n = MkT { x = n+1 }     -- Unambiguous
1290
1291   bad1 k = k { x = 3 }  -- Ambiguous
1292   bad2 k = x k          -- Ambiguous
1293 </programlisting>
1294 Even though there are two <literal>x</literal>'s in scope,
1295 it is clear that the <literal>x</literal> in the pattern in the
1296 definition of <literal>ok1</literal> can only mean the field
1297 <literal>x</literal> from type <literal>S</literal>. Similarly for
1298 the function <literal>ok2</literal>.  However, in the record update
1299 in <literal>bad1</literal> and the record selection in <literal>bad2</literal>
1300 it is not clear which of the two types is intended.
1301 </para>
1302 <para>
1303 Haskell 98 regards all four as ambiguous, but with the
1304 <option>-XDisambiguateRecordFields</option> flag, GHC will accept
1305 the former two.  The rules are precisely the same as those for instance
1306 declarations in Haskell 98, where the method names on the left-hand side 
1307 of the method bindings in an instance declaration refer unambiguously
1308 to the method of that class (provided they are in scope at all), even
1309 if there are other variables in scope with the same name.
1310 This reduces the clutter of qualified names when you import two
1311 records from different modules that use the same field name.
1312 </para>
1313 </sect2>
1314
1315     <!-- ===================== Record puns ===================  -->
1316
1317 <sect2 id="record-puns">
1318 <title>Record puns
1319 </title>
1320
1321 <para>
1322 Record puns are enabled by the flag <literal>-XNamedFieldPuns</literal>.
1323 </para>
1324
1325 <para>
1326 When using records, it is common to write a pattern that binds a
1327 variable with the same name as a record field, such as:
1328
1329 <programlisting>
1330 data C = C {a :: Int}
1331 f (C {a = a}) = a
1332 </programlisting>
1333 </para>
1334
1335 <para>
1336 Record punning permits the variable name to be elided, so one can simply
1337 write
1338
1339 <programlisting>
1340 f (C {a}) = a
1341 </programlisting>
1342
1343 to mean the same pattern as above.  That is, in a record pattern, the
1344 pattern <literal>a</literal> expands into the pattern <literal>a =
1345 a</literal> for the same name <literal>a</literal>.  
1346 </para>
1347
1348 <para>
1349 Note that puns and other patterns can be mixed in the same record:
1350 <programlisting>
1351 data C = C {a :: Int, b :: Int}
1352 f (C {a, b = 4}) = a
1353 </programlisting>
1354 and that puns can be used wherever record patterns occur (e.g. in
1355 <literal>let</literal> bindings or at the top-level).  
1356 </para>
1357
1358 <para>
1359 Record punning can also be used in an expression, writing, for example,
1360 <programlisting>
1361 let a = 1 in C {a}
1362 </programlisting>
1363 instead of 
1364 <programlisting>
1365 let a = 1 in C {a = a}
1366 </programlisting>
1367
1368 Note that this expansion is purely syntactic, so the record pun
1369 expression refers to the nearest enclosing variable that is spelled the
1370 same as the field name.
1371 </para>
1372
1373 </sect2>
1374
1375     <!-- ===================== Record wildcards ===================  -->
1376
1377 <sect2 id="record-wildcards">
1378 <title>Record wildcards
1379 </title>
1380
1381 <para>
1382 Record wildcards are enabled by the flag <literal>-XRecordWildCards</literal>.
1383 </para>
1384
1385 <para>
1386 For records with many fields, it can be tiresome to write out each field
1387 individually in a record pattern, as in
1388 <programlisting>
1389 data C = C {a :: Int, b :: Int, c :: Int, d :: Int}
1390 f (C {a = 1, b = b, c = c, d = d}) = b + c + d
1391 </programlisting>
1392 </para>
1393
1394 <para>
1395 Record wildcard syntax permits a (<literal>..</literal>) in a record
1396 pattern, where each elided field <literal>f</literal> is replaced by the
1397 pattern <literal>f = f</literal>.  For example, the above pattern can be
1398 written as
1399 <programlisting>
1400 f (C {a = 1, ..}) = b + c + d
1401 </programlisting>
1402 </para>
1403
1404 <para>
1405 Note that wildcards can be mixed with other patterns, including puns
1406 (<xref linkend="record-puns"/>); for example, in a pattern <literal>C {a
1407 = 1, b, ..})</literal>.  Additionally, record wildcards can be used
1408 wherever record patterns occur, including in <literal>let</literal>
1409 bindings and at the top-level.  For example, the top-level binding
1410 <programlisting>
1411 C {a = 1, ..} = e
1412 </programlisting>
1413 defines <literal>b</literal>, <literal>c</literal>, and
1414 <literal>d</literal>.
1415 </para>
1416
1417 <para>
1418 Record wildcards can also be used in expressions, writing, for example,
1419
1420 <programlisting>
1421 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {..}
1422 </programlisting>
1423
1424 in place of
1425
1426 <programlisting>
1427 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {a=a, b=b, c=c, d=d}
1428 </programlisting>
1429
1430 Note that this expansion is purely syntactic, so the record wildcard
1431 expression refers to the nearest enclosing variables that are spelled
1432 the same as the omitted field names.
1433 </para>
1434
1435 </sect2>
1436
1437     <!-- ===================== Local fixity declarations ===================  -->
1438
1439 <sect2 id="local-fixity-declarations">
1440 <title>Local Fixity Declarations
1441 </title>
1442
1443 <para>A careful reading of the Haskell 98 Report reveals that fixity
1444 declarations (<literal>infix</literal>, <literal>infixl</literal>, and
1445 <literal>infixr</literal>) are permitted to appear inside local bindings
1446 such those introduced by <literal>let</literal> and
1447 <literal>where</literal>.  However, the Haskell Report does not specify
1448 the semantics of such bindings very precisely.
1449 </para>
1450
1451 <para>In GHC, a fixity declaration may accompany a local binding:
1452 <programlisting>
1453 let f = ...
1454     infixr 3 `f`
1455 in 
1456     ...
1457 </programlisting>
1458 and the fixity declaration applies wherever the binding is in scope.
1459 For example, in a <literal>let</literal>, it applies in the right-hand
1460 sides of other <literal>let</literal>-bindings and the body of the
1461 <literal>let</literal>C. Or, in recursive <literal>do</literal>
1462 expressions (<xref linkend="mdo-notation"/>), the local fixity
1463 declarations of a <literal>let</literal> statement scope over other
1464 statements in the group, just as the bound name does.
1465 </para>
1466
1467 <para>
1468 Moreover, a local fixity declaration *must* accompany a local binding of
1469 that name: it is not possible to revise the fixity of name bound
1470 elsewhere, as in
1471 <programlisting>
1472 let infixr 9 $ in ...
1473 </programlisting>
1474
1475 Because local fixity declarations are technically Haskell 98, no flag is
1476 necessary to enable them.
1477 </para>
1478 </sect2>
1479
1480 <sect2 id="package-imports">
1481   <title>Package-qualified imports</title>
1482
1483   <para>With the <option>-XPackageImports</option> flag, GHC allows
1484   import declarations to be qualified by the package name that the
1485     module is intended to be imported from.  For example:</para>
1486
1487 <programlisting>
1488 import "network" Network.Socket
1489 </programlisting>
1490   
1491   <para>would import the module <literal>Network.Socket</literal> from
1492     the package <literal>network</literal> (any version).  This may
1493     be used to disambiguate an import when the same module is
1494     available from multiple packages, or is present in both the
1495     current package being built and an external package.</para>
1496
1497   <para>Note: you probably don't need to use this feature, it was
1498     added mainly so that we can build backwards-compatible versions of
1499     packages when APIs change.  It can lead to fragile dependencies in
1500     the common case: modules occasionally move from one package to
1501     another, rendering any package-qualified imports broken.</para>
1502 </sect2>
1503
1504 <sect2 id="syntax-stolen">
1505 <title>Summary of stolen syntax</title>
1506
1507     <para>Turning on an option that enables special syntax
1508     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
1509     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
1510     become a reserved word.  This section lists the syntax that is
1511     "stolen" by language extensions.
1512      We use
1513     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
1514     (see the Haskell 98 Report).  
1515     We only list syntax changes here that might affect
1516     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
1517     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
1518     cases programs written to use the new syntax would not be
1519     compilable without the option enabled.</para>
1520
1521 <para>There are two classes of special
1522     syntax:
1523
1524     <itemizedlist>
1525       <listitem>
1526         <para>New reserved words and symbols: character sequences
1527         which are no longer available for use as identifiers in the
1528         program.</para>
1529       </listitem>
1530       <listitem>
1531         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
1532         a different meaning when this particular option is turned
1533         on.</para>
1534       </listitem>
1535     </itemizedlist>
1536     
1537 The following syntax is stolen:
1538
1539     <variablelist>
1540       <varlistentry>
1541         <term>
1542           <literal>forall</literal>
1543           <indexterm><primary><literal>forall</literal></primary></indexterm>
1544         </term>
1545         <listitem><para>
1546         Stolen (in types) by: <option>-XScopedTypeVariables</option>,
1547             <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
1548             <option>-XRank2Types</option>,
1549             <option>-XRankNTypes</option>,
1550             <option>-XPolymorphicComponents</option>,
1551             <option>-XExistentialQuantification</option>
1552           </para></listitem>
1553       </varlistentry>
1554
1555       <varlistentry>
1556         <term>
1557           <literal>mdo</literal>
1558           <indexterm><primary><literal>mdo</literal></primary></indexterm>
1559         </term>
1560         <listitem><para>
1561         Stolen by: <option>-XRecursiveDo</option>,
1562           </para></listitem>
1563       </varlistentry>
1564
1565       <varlistentry>
1566         <term>
1567           <literal>foreign</literal>
1568           <indexterm><primary><literal>foreign</literal></primary></indexterm>
1569         </term>
1570         <listitem><para>
1571         Stolen by: <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
1572           </para></listitem>
1573       </varlistentry>
1574
1575       <varlistentry>
1576         <term>
1577           <literal>rec</literal>,
1578           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
1579           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
1580           <literal>&gt;&gt;-</literal>, and <literal>(|</literal>,
1581           <literal>|)</literal> brackets
1582           <indexterm><primary><literal>proc</literal></primary></indexterm>
1583         </term>
1584         <listitem><para>
1585         Stolen by: <option>-XArrows</option>,
1586           </para></listitem>
1587       </varlistentry>
1588
1589       <varlistentry>
1590         <term>
1591           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
1592           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>
1593           <indexterm><primary>implicit parameters</primary></indexterm>
1594         </term>
1595         <listitem><para>
1596         Stolen by: <option>-XImplicitParams</option>,
1597           </para></listitem>
1598       </varlistentry>
1599
1600       <varlistentry>
1601         <term>
1602           <literal>[|</literal>,
1603           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
1604           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
1605           <literal>$(</literal>,
1606           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>
1607           <indexterm><primary>Template Haskell</primary></indexterm>
1608         </term>
1609         <listitem><para>
1610         Stolen by: <option>-XTemplateHaskell</option>,
1611           </para></listitem>
1612       </varlistentry>
1613
1614       <varlistentry>
1615         <term>
1616           <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>|</literal>
1617           <indexterm><primary>quasi-quotation</primary></indexterm>
1618         </term>
1619         <listitem><para>
1620         Stolen by: <option>-XQuasiQuotes</option>,
1621           </para></listitem>
1622       </varlistentry>
1623
1624       <varlistentry>
1625         <term>
1626               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
1627               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
1628               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1629               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1630               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1631               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
1632               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
1633         </term>
1634         <listitem><para>
1635         Stolen by: <option>-XMagicHash</option>,
1636           </para></listitem>
1637       </varlistentry>
1638     </variablelist>
1639 </para>
1640 </sect2>
1641 </sect1>
1642
1643
1644 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
1645 <sect1 id="data-type-extensions">
1646 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
1647
1648 <sect2 id="nullary-types">
1649 <title>Data types with no constructors</title>
1650
1651 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
1652 a data type with no constructors.  For example:</para>
1653
1654 <programlisting>
1655   data S      -- S :: *
1656   data T a    -- T :: * -> *
1657 </programlisting>
1658
1659 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
1660 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
1661 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
1662 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
1663
1664 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
1665 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
1666 </sect2>
1667
1668 <sect2 id="infix-tycons">
1669 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
1670
1671 <para>
1672 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
1673 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
1674 <itemizedlist>
1675 <listitem><para>
1676   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
1677   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
1678   </para></listitem>
1679 <listitem><para>
1680   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
1681   if you want further arguments.  E.g.
1682 <screen>
1683   data a :*: b = Foo a b
1684   type a :+: b = Either a b
1685   class a :=: b where ...
1686
1687   data (a :**: b) x = Baz a b x
1688   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
1689 </screen>
1690   </para></listitem>
1691 <listitem><para>
1692   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
1693   <screen>
1694         x :: Int :*: Bool
1695         f :: (a :=: b) => a -> b
1696   </screen>
1697   </para></listitem>
1698 <listitem><para>
1699   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1700   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1701   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1702   parenthesised.  For example:
1703 <programlisting>
1704    type T (+) = Int + Int
1705    f :: T Either
1706    f = Left 3
1707  
1708    liftA2 :: Arrow (~>)
1709           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1710    liftA2 = ...
1711 </programlisting>
1712   </para></listitem>
1713 <listitem><para>
1714   Back-quotes work
1715   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1716   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1717   </para></listitem>
1718 <listitem><para>
1719   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1720   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1721   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1722 <screen>
1723   infixl 7 T, :*:
1724 </screen>
1725   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1726   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1727   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1728   </para></listitem>
1729 <listitem><para>
1730   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1731   </para></listitem>
1732
1733 </itemizedlist>
1734 </para>
1735 </sect2>
1736
1737 <sect2 id="type-synonyms">
1738 <title>Liberalised type synonyms</title>
1739
1740 <para>
1741 Type synonyms are like macros at the type level, but Haskell 98 imposes many rules
1742 on individual synonym declarations.
1743 With the <option>-XLiberalTypeSynonyms</option> extension,
1744 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1745 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98. 
1746
1747 <itemizedlist>
1748 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1749 in a type synonym, thus:
1750 <programlisting>
1751   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1752
1753   f :: Discard a
1754   f x y = (x, show y)
1755
1756   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1757   g f = f 3 True
1758 </programlisting>
1759 </para>
1760 </listitem>
1761
1762 <listitem><para>
1763 If you also use <option>-XUnboxedTuples</option>, 
1764 you can write an unboxed tuple in a type synonym:
1765 <programlisting>
1766   type Pr = (# Int, Int #)
1767
1768   h :: Int -> Pr
1769   h x = (# x, x #)
1770 </programlisting>
1771 </para></listitem>
1772
1773 <listitem><para>
1774 You can apply a type synonym to a forall type:
1775 <programlisting>
1776   type Foo a = a -> a -> Bool
1777  
1778   f :: Foo (forall b. b->b)
1779 </programlisting>
1780 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1781 <programlisting>
1782   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1783 </programlisting>
1784 </para></listitem>
1785
1786 <listitem><para>
1787 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1788 <programlisting>
1789   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1790   type Id x = x
1791   
1792   foo :: Generic Id []
1793 </programlisting>
1794 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1795 <programlisting>
1796   foo :: forall x. x -> [x]
1797 </programlisting>
1798 </para></listitem>
1799
1800 </itemizedlist>
1801 </para>
1802
1803 <para>
1804 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1805 could be changed.)
1806 </para>
1807 <para>
1808 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1809 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1810 <itemizedlist>
1811 <listitem><para>
1812 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1813 </para></listitem>
1814 <listitem><para>
1815 Unboxed tuple on left of an arrow.
1816 </para></listitem>
1817 <listitem><para>
1818 Partially-applied type synonym.
1819 </para></listitem>
1820 </itemizedlist>
1821 So, for example,
1822 this will be rejected:
1823 <programlisting>
1824   type Pr = (# Int, Int #)
1825
1826   h :: Pr -> Int
1827   h x = ...
1828 </programlisting>
1829 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1830 </para>
1831 </sect2>
1832
1833
1834 <sect2 id="existential-quantification">
1835 <title>Existentially quantified data constructors
1836 </title>
1837
1838 <para>
1839 The idea of using existential quantification in data type declarations
1840 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1841 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1842 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1843 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1844 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1845 It's been in Lennart
1846 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1847 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1848 </para>
1849
1850 <para>
1851
1852 <programlisting>
1853   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1854            | Nil
1855 </programlisting>
1856
1857 </para>
1858
1859 <para>
1860 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1861 </para>
1862
1863 <para>
1864
1865 <programlisting>
1866   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1867   Nil   :: Foo
1868 </programlisting>
1869
1870 </para>
1871
1872 <para>
1873 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1874 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1875 For example, the following expression is fine:
1876 </para>
1877
1878 <para>
1879
1880 <programlisting>
1881   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1882 </programlisting>
1883
1884 </para>
1885
1886 <para>
1887 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1888 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1889 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1890 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1891 </para>
1892
1893 <para>
1894 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1895 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1896 </para>
1897
1898 <para>
1899
1900 <programlisting>
1901   f (MkFoo val fn) = ???
1902 </programlisting>
1903
1904 </para>
1905
1906 <para>
1907 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1908 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1909 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1910 </para>
1911
1912 <para>
1913
1914 <programlisting>
1915   f :: Foo -> Bool
1916   f (MkFoo val fn) = fn val
1917 </programlisting>
1918
1919 </para>
1920
1921 <para>
1922 What this allows us to do is to package heterogeneous values
1923 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1924 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1925 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1926 </para>
1927
1928 <sect3 id="existential">
1929 <title>Why existential?
1930 </title>
1931
1932 <para>
1933 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1934 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1935 </para>
1936
1937 <para>
1938
1939 <programlisting>
1940   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1941 </programlisting>
1942
1943 </para>
1944
1945 <para>
1946 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1947 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1948 adding a new existential quantification construct.
1949 </para>
1950
1951 </sect3>
1952
1953 <sect3 id="existential-with-context">
1954 <title>Existentials and type classes</title>
1955
1956 <para>
1957 An easy extension is to allow
1958 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1959 </para>
1960
1961 <para>
1962
1963 <programlisting>
1964 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1965          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1966 </programlisting>
1967
1968 </para>
1969
1970 <para>
1971 The two constructors have the types you'd expect:
1972 </para>
1973
1974 <para>
1975
1976 <programlisting>
1977 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1978 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1979 </programlisting>
1980
1981 </para>
1982
1983 <para>
1984 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1985 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1986 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1987 So this program is legal:
1988 </para>
1989
1990 <para>
1991
1992 <programlisting>
1993   f :: Baz -> String
1994   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1995                | otherwise = "No"
1996   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1997 </programlisting>
1998
1999 </para>
2000
2001 <para>
2002 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2003 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2004 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2005 extract it on pattern matching.
2006 </para>
2007
2008 </sect3>
2009
2010 <sect3 id="existential-records">
2011 <title>Record Constructors</title>
2012
2013 <para>
2014 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
2015
2016 <programlisting>
2017 data Counter a = forall self. NewCounter
2018     { _this    :: self
2019     , _inc     :: self -> self
2020     , _display :: self -> IO ()
2021     , tag      :: a
2022     }
2023 </programlisting>
2024 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
2025 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
2026 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
2027 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
2028 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
2029 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
2030 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
2031 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
2032 </para>
2033
2034 <para>
2035 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
2036
2037 <programlisting>
2038 inc :: Counter a -> Counter a
2039 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
2040     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
2041
2042 display :: Counter a -> IO ()
2043 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
2044 </programlisting>
2045
2046 Now we can define counters with different underlying implementations:
2047
2048 <programlisting>
2049 counterA :: Counter String 
2050 counterA = NewCounter
2051     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
2052
2053 counterB :: Counter String 
2054 counterB = NewCounter
2055     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
2056
2057 main = do
2058     display (inc counterA)         -- prints "1"
2059     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
2060 </programlisting>
2061
2062 Record update syntax is supported for existentials (and GADTs):
2063 <programlisting>
2064 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
2065 setTag obj t = obj{ tag = t }
2066 </programlisting>
2067 The rule for record update is this: <emphasis>
2068 the types of the updated fields may
2069 mention only the universally-quantified type variables
2070 of the data constructor.  For GADTs, the field may mention only types
2071 that appear as a simple type-variable argument in the constructor's result
2072 type</emphasis>.  For example:
2073 <programlisting>
2074 data T a b where { T1 { f1::a, f2::b, f3::(b,c) } :: T a b } -- c is existential
2075 upd1 t x = t { f1=x }   -- OK:   upd1 :: T a b -> a' -> T a' b
2076 upd2 t x = t { f3=x }   -- BAD   (f3's type mentions c, which is
2077                         --        existentially quantified)
2078
2079 data G a b where { G1 { g1::a, g2::c } :: G a [c] }
2080 upd3 g x = g { g1=x }   -- OK:   upd3 :: G a b -> c -> G c b
2081 upd4 g x = g { g2=x }   -- BAD (f2's type mentions c, which is not a simple
2082                         --      type-variable argument in G1's result type)
2083 </programlisting>
2084 </para>
2085
2086 </sect3>
2087
2088
2089 <sect3>
2090 <title>Restrictions</title>
2091
2092 <para>
2093 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2094 constructors can be use.
2095 </para>
2096
2097 <para>
2098
2099 <itemizedlist>
2100 <listitem>
2101
2102 <para>
2103  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2104 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2105 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2106 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2107
2108
2109 <programlisting>
2110 f1 (MkFoo a f) = a
2111 </programlisting>
2112
2113
2114 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2115 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2116 ask what type <function>f1</function> has:
2117
2118
2119 <programlisting>
2120   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2121 </programlisting>
2122
2123
2124 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2125 this:
2126
2127
2128 <programlisting>
2129   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2130 </programlisting>
2131
2132
2133 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2134
2135
2136 <programlisting>
2137   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2138 </programlisting>
2139
2140
2141 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2142 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2143 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2144
2145
2146 </para>
2147 </listitem>
2148 <listitem>
2149
2150 <para>
2151 You can't pattern-match on an existentially quantified
2152 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2153 bindings. So this is illegal:
2154
2155
2156 <programlisting>
2157   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2158 </programlisting>
2159
2160 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2161
2162 <programlisting>
2163   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2164 </programlisting>
2165
2166 In general, you can only pattern-match
2167 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2168 in the patterns of a function definition.
2169
2170 The reason for this restriction is really an implementation one.
2171 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2172 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2173 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2174 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2175 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2176 annoying it is.
2177
2178 </para>
2179 </listitem>
2180 <listitem>
2181
2182 <para>
2183 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2184 declarations.  So this is illegal:
2185
2186
2187 <programlisting>
2188   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2189 </programlisting>
2190
2191
2192 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
2193 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
2194 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
2195 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
2196 You can get just the same efficiency and effect by using
2197 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
2198 there is no overloading involved, then there is more of a case for
2199 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
2200 because the <literal>data</literal> version does carry an
2201 implementation cost, but single-field existentially quantified
2202 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
2203 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
2204 are convincing reasons to change it.
2205
2206
2207 </para>
2208 </listitem>
2209 <listitem>
2210
2211 <para>
2212  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2213 data type with existentially quantified data constructors.
2214
2215 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
2216
2217 <programlisting>
2218 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2219 </programlisting>
2220
2221 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2222 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2223
2224 <programlisting>
2225 instance Eq T where
2226   (MkT a) == (MkT b) = ???
2227 </programlisting>
2228
2229 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
2230 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2231 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2232 declarations.  Define your own instances!
2233 </para>
2234 </listitem>
2235
2236 </itemizedlist>
2237
2238 </para>
2239
2240 </sect3>
2241 </sect2>
2242
2243 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
2244
2245 <sect2 id="gadt-style">
2246 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
2247
2248 <para>GHC allows you to declare an algebraic data type by 
2249 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
2250 <programlisting>
2251   data Maybe a where
2252       Nothing :: Maybe a
2253       Just    :: a -> Maybe a
2254 </programlisting>
2255 The form is called a "GADT-style declaration"
2256 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
2257 can only be declared using this form.</para>
2258 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
2259 For example, these two declarations are equivalent:
2260 <programlisting>
2261   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2262   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
2263 </programlisting>
2264 </para>
2265 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
2266 can also be declared using GADT-style syntax.
2267 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
2268 they treat class constraints on the data constructors differently.
2269 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
2270 context is made available by pattern matching.  For example:
2271 <programlisting>
2272   data Set a where
2273     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
2274
2275   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
2276   makeSet xs = MkSet (nub xs)
2277
2278   insert :: a -> Set a -> Set a
2279   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
2280                       | otherwise   = MkSet (a:as)
2281 </programlisting>
2282 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
2283 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
2284 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
2285 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
2286 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
2287 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
2288 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
2289 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
2290 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
2291 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
2292 </para>
2293 <para>
2294 For example, one possible application is to reify dictionaries:
2295 <programlisting>
2296    data NumInst a where
2297      MkNumInst :: Num a => NumInst a
2298
2299    intInst :: NumInst Int
2300    intInst = MkNumInst
2301
2302    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
2303    plus MkNumInst p q = p + q
2304 </programlisting>
2305 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
2306 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
2307 </para>
2308 <para>
2309 All this applies to constructors declared using the syntax of <xref linkend="existential-with-context"/>.
2310 For example, the <literal>NumInst</literal> data type above could equivalently be declared 
2311 like this:
2312 <programlisting>
2313    data NumInst a 
2314       = Num a => MkNumInst (NumInst a)
2315 </programlisting>
2316 Notice that, unlike the situation when declaring an existential, there is 
2317 no <literal>forall</literal>, because the <literal>Num</literal> constrains the
2318 data type's universally quantified type variable <literal>a</literal>.  
2319 A constructor may have both universal and existential type variables: for example,
2320 the following two declarations are equivalent:
2321 <programlisting>
2322    data T1 a 
2323         = forall b. (Num a, Eq b) => MkT1 a b
2324    data T2 a where
2325         MkT2 :: (Num a, Eq b) => a -> b -> T2 a
2326 </programlisting>
2327 </para>
2328 <para>All this behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treatment of 
2329 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
2330 In Haskell 98 the definition
2331 <programlisting>
2332   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
2333 </programlisting>
2334 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
2335 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
2336 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
2337 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
2338 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.
2339 </para>
2340
2341 <para>
2342 The rest of this section gives further details about GADT-style data
2343 type declarations.
2344
2345 <itemizedlist>
2346 <listitem><para>
2347 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
2348 If the result type of all constructors 
2349 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
2350 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
2351 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
2352 </para></listitem>
2353
2354 <listitem><para>
2355 As with other type signatures, you can give a single signature for several data constructors.
2356 In this example we give a single signature for <literal>T1</literal> and <literal>T2</literal>:
2357 <programlisting>
2358   data T a where
2359     T1,T2 :: a -> T a
2360     T3 :: T a
2361 </programlisting>
2362 </para></listitem>
2363
2364 <listitem><para>
2365 The type signature of
2366 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
2367 In particular, the type variable(s) in the "<literal>data T a where</literal>" header 
2368 have no scope, and different constructors may have different universally-quantified type variables:
2369 <programlisting>
2370   data T a where        -- The 'a' has no scope
2371     T1,T2 :: b -> T b   -- Means forall b. b -> T b
2372     T3 :: T a           -- Means forall a. T a
2373 </programlisting>
2374 </para></listitem>
2375
2376 <listitem><para>
2377 A constructor signature may mention type class constraints, which can differ for
2378 different constructors.  For example, this is fine:
2379 <programlisting>
2380   data T a where
2381     T1 :: Eq b => b -> b -> T b
2382     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
2383 </programlisting>
2384 When patten matching, these constraints are made available to discharge constraints
2385 in the body of the match. For example:
2386 <programlisting>
2387   f :: T a -> String
2388   f (T1 x y) | x==y      = "yes"
2389              | otherwise = "no"
2390   f (T2 a b)             = show a
2391 </programlisting>
2392 Note that <literal>f</literal> is not overloaded; the <literal>Eq</literal> constraint arising
2393 from the use of <literal>==</literal> is discharged by the pattern match on <literal>T1</literal>
2394 and similarly the <literal>Show</literal> constraint arising from the use of <literal>show</literal>.
2395 </para></listitem>
2396
2397 <listitem><para>
2398 Unlike a Haskell-98-style 
2399 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
2400 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
2401 <programlisting>
2402   data Set :: * -> * where ...
2403 </programlisting>
2404 or even a mixture of the two:
2405 <programlisting>
2406   data Bar a :: (* -> *) -> * where ...
2407 </programlisting>
2408 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
2409 like this:
2410 <programlisting>
2411   data Bar a (b :: * -> *) where ...
2412 </programlisting>
2413 </para></listitem>
2414
2415
2416 <listitem><para>
2417 You can use strictness annotations, in the obvious places
2418 in the constructor type:
2419 <programlisting>
2420   data Term a where
2421       Lit    :: !Int -> Term Int
2422       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
2423       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2424 </programlisting>
2425 </para></listitem>
2426
2427 <listitem><para>
2428 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
2429 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
2430 <programlisting>
2431   data Maybe1 a where {
2432       Nothing1 :: Maybe1 a ;
2433       Just1    :: a -> Maybe1 a
2434     } deriving( Eq, Ord )
2435
2436   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
2437        deriving( Eq, Ord )
2438 </programlisting>
2439 </para></listitem>
2440
2441 <listitem><para>
2442 The type signature may have quantified type variables that do not appear
2443 in the result type:
2444 <programlisting>
2445   data Foo where
2446      MkFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo
2447      Nil   :: Foo
2448 </programlisting>
2449 Here the type variable <literal>a</literal> does not appear in the result type
2450 of either constructor.  
2451 Although it is universally quantified in the type of the constructor, such
2452 a type variable is often called "existential".  
2453 Indeed, the above declaration declares precisely the same type as 
2454 the <literal>data Foo</literal> in <xref linkend="existential-quantification"/>.
2455 </para><para>
2456 The type may contain a class context too, of course:
2457 <programlisting>
2458   data Showable where
2459     MkShowable :: Show a => a -> Showable
2460 </programlisting>
2461 </para></listitem>
2462
2463 <listitem><para>
2464 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
2465
2466 <programlisting>
2467   data Person where
2468       Adult :: { name :: String, children :: [Person] } -> Person
2469       Child :: Show a => { name :: !String, funny :: a } -> Person
2470 </programlisting>
2471 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
2472 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
2473 The <literal>Child</literal> constructor above shows that the signature
2474 may have a context, existentially-quantified variables, and strictness annotations, 
2475 just as in the non-record case.  (NB: the "type" that follows the double-colon
2476 is not really a type, because of the record syntax and strictness annotations.
2477 A "type" of this form can appear only in a constructor signature.)
2478 </para></listitem>
2479
2480 <listitem><para> 
2481 Record updates are allowed with GADT-style declarations, 
2482 only fields that have the following property: the type of the field
2483 mentions no existential type variables.
2484 </para></listitem>
2485
2486 <listitem><para> 
2487 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
2488 (<xref linkend="existential-records"/>),
2489 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
2490 selectors.  
2491 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
2492 <programlisting>
2493 data Counter a where
2494     NewCounter { _this    :: self
2495                , _inc     :: self -> self
2496                , _display :: self -> IO ()
2497                , tag      :: a
2498                }
2499         :: Counter a
2500 </programlisting>
2501 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
2502 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
2503 </para></listitem>
2504 </itemizedlist></para>
2505 </sect2>
2506
2507 <sect2 id="gadt">
2508 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
2509
2510 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
2511 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
2512 <programlisting>
2513   data Term a where
2514       Lit    :: Int -> Term Int
2515       Succ   :: Term Int -> Term Int
2516       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
2517       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
2518       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2519 </programlisting>
2520 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
2521 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
2522 write a well-typed <literal>eval</literal> function
2523 for these <literal>Terms</literal>:
2524 <programlisting>
2525   eval :: Term a -> a
2526   eval (Lit i)      = i
2527   eval (Succ t)     = 1 + eval t
2528   eval (IsZero t)   = eval t == 0
2529   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
2530   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
2531 </programlisting>
2532 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
2533 For example, in the right hand side of the equation
2534 <programlisting>
2535   eval :: Term a -> a
2536   eval (Lit i) =  ...
2537 </programlisting>
2538 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
2539 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
2540 but the design closely follows that described in
2541 the paper <ulink
2542 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/">Simple
2543 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
2544 (ICFP 2006).
2545 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
2546 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
2547 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
2548 and lots of obscure error messages will
2549 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
2550 <programlisting>
2551   eval :: Term a -> a -> a
2552   eval (Lit i) j =  i+j
2553 </programlisting>
2554 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
2555 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
2556 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
2557 </para>
2558 <para>
2559 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
2560 Tim Sheard. There is a longer introduction
2561 <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
2562 and Ralf Hinze's
2563 <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
2564 may use different notation to that implemented in GHC.
2565 </para>
2566 <para>
2567 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs.   The extension is enabled with 
2568 <option>-XGADTs</option>.  The <option>-XGADTs</option> flag also sets <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
2569 <itemizedlist>
2570 <listitem><para>
2571 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
2572 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
2573 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
2574 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
2575 For example, in the <literal>Term</literal> data
2576 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
2577 the <literal>ty</literal> need not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
2578 constructor).
2579 </para></listitem>
2580
2581 <listitem><para>
2582 It's is permitted to declare an ordinary algebraic data type using GADT-style syntax.
2583 What makes a GADT into a GADT is not the syntax, but rather the presence of data constructors
2584 whose result type is not just <literal>T a b</literal>.
2585 </para></listitem>
2586
2587 <listitem><para>
2588 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
2589 an ordinary data type.
2590 </para></listitem>
2591
2592 <listitem><para>
2593 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
2594 For example:
2595 <programlisting>
2596   data Term a where
2597       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
2598       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
2599       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
2600       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
2601       Pair   { arg1 :: Term a
2602              , arg2 :: Term b
2603              }                    :: Term (a,b)
2604       If     { cnd  :: Term Bool
2605              , tru  :: Term a
2606              , fls  :: Term a
2607              }                    :: Term a
2608 </programlisting>
2609 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
2610 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
2611 the same result type (modulo alpha conversion)
2612 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
2613 and <literal>arg</literal> fields above into a 
2614 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
2615 their selector functions actually have different types:
2616
2617 <programlisting>
2618   num :: Term Int -> Term Int
2619   arg :: Term Bool -> Term Int
2620 </programlisting>
2621 </para></listitem>
2622
2623 <listitem><para>
2624 When pattern-matching against data constructors drawn from a GADT, 
2625 for example in a <literal>case</literal> expression, the following rules apply:
2626 <itemizedlist>
2627 <listitem><para>The type of the scrutinee must be rigid.</para></listitem>
2628 <listitem><para>The type of the entire <literal>case</literal> expression must be rigid.</para></listitem>
2629 <listitem><para>The type of any free variable mentioned in any of
2630 the <literal>case</literal> alternatives must be rigid.</para></listitem>
2631 </itemizedlist>
2632 A type is "rigid" if it is completely known to the compiler at its binding site.  The easiest
2633 way to ensure that a variable a rigid type is to give it a type signature.
2634 For more precise details see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt">
2635 Simple unification-based type inference for GADTs
2636 </ulink>. The criteria implemented by GHC are given in the Appendix.
2637
2638 </para></listitem>
2639
2640 </itemizedlist>
2641 </para>
2642
2643 </sect2>
2644 </sect1>
2645
2646 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
2647
2648 <sect1 id="deriving">
2649 <title>Extensions to the "deriving" mechanism</title>
2650
2651 <sect2 id="deriving-inferred">
2652 <title>Inferred context for deriving clauses</title>
2653
2654 <para>
2655 The Haskell Report is vague about exactly when a <literal>deriving</literal> clause is
2656 legal.  For example:
2657 <programlisting>
2658   data T0 f a = MkT0 a         deriving( Eq )
2659   data T1 f a = MkT1 (f a)     deriving( Eq )
2660   data T2 f a = MkT2 (f (f a)) deriving( Eq )
2661 </programlisting>
2662 The natural generated <literal>Eq</literal> code would result in these instance declarations:
2663 <programlisting>
2664   instance Eq a         => Eq (T0 f a) where ...
2665   instance Eq (f a)     => Eq (T1 f a) where ...
2666   instance Eq (f (f a)) => Eq (T2 f a) where ...
2667 </programlisting>
2668 The first of these is obviously fine. The second is still fine, although less obviously. 
2669 The third is not Haskell 98, and risks losing termination of instances.
2670 </para>
2671 <para>
2672 GHC takes a conservative position: it accepts the first two, but not the third.  The  rule is this:
2673 each constraint in the inferred instance context must consist only of type variables, 
2674 with no repetitions.
2675 </para>
2676 <para>
2677 This rule is applied regardless of flags.  If you want a more exotic context, you can write
2678 it yourself, using the <link linkend="stand-alone-deriving">standalone deriving mechanism</link>.
2679 </para>
2680 </sect2>
2681
2682 <sect2 id="stand-alone-deriving">
2683 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
2684
2685 <para>
2686 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-XStandaloneDeriving</literal>:
2687 <programlisting>
2688   data Foo a = Bar a | Baz String
2689
2690   deriving instance Eq a => Eq (Foo a)
2691 </programlisting>
2692 The syntax is identical to that of an ordinary instance declaration apart from (a) the keyword
2693 <literal>deriving</literal>, and (b) the absence of the <literal>where</literal> part.
2694 You must supply a context (in the example the context is <literal>(Eq a)</literal>), 
2695 exactly as you would in an ordinary instance declaration.
2696 (In contrast the context is inferred in a <literal>deriving</literal> clause 
2697 attached to a data type declaration.) 
2698
2699 A <literal>deriving instance</literal> declaration
2700 must obey the same rules concerning form and termination as ordinary instance declarations,
2701 controlled by the same flags; see <xref linkend="instance-decls"/>.
2702 </para>
2703 <para>
2704 Unlike a <literal>deriving</literal>
2705 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, the instance can be more specific
2706 than the data type (assuming you also use 
2707 <literal>-XFlexibleInstances</literal>, <xref linkend="instance-rules"/>).  Consider
2708 for example
2709 <programlisting>
2710   data Foo a = Bar a | Baz String
2711
2712   deriving instance Eq a => Eq (Foo [a])
2713   deriving instance Eq a => Eq (Foo (Maybe a))
2714 </programlisting>
2715 This will generate a derived instance for <literal>(Foo [a])</literal> and <literal>(Foo (Maybe a))</literal>,
2716 but other types such as <literal>(Foo (Int,Bool))</literal> will not be an instance of <literal>Eq</literal>.
2717 </para>
2718
2719 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
2720 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
2721 For example:
2722 <programlisting>
2723   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
2724
2725   deriving instance MonadState Int Foo
2726 </programlisting>
2727 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
2728 (<literal>Foo</literal> in this example) as the type whose instance is being derived.
2729 </para>
2730
2731 </sect2>
2732
2733
2734 <sect2 id="deriving-typeable">
2735 <title>Deriving clause for extra classes (<literal>Typeable</literal>, <literal>Data</literal>, etc)</title>
2736
2737 <para>
2738 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
2739 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
2740 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
2741 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
2742 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
2743 </para>
2744 <para>
2745 GHC extends this list with several more classes that may be automatically derived:
2746 <itemizedlist>
2747 <listitem><para> With <option>-XDeriveDataTypeable</option>, you can derive instances of the classes
2748 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>, defined in the library
2749 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively.
2750 </para>
2751 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
2752 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
2753 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
2754 described in
2755 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
2756 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
2757 </ulink>.
2758 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
2759 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
2760 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
2761 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
2762 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
2763 then writing the data type instance by hand.
2764 </para>
2765 </listitem>
2766
2767 <listitem><para> With <option>-XDeriveFunctor</option>, you can derive instances of 
2768 the class <literal>Functor</literal>,
2769 defined in <literal>GHC.Base</literal>.
2770 </para></listitem>
2771
2772 <listitem><para> With <option>-XDeriveFoldable</option>, you can derive instances of 
2773 the class <literal>Foldable</literal>,
2774 defined in <literal>Data.Foldable</literal>.
2775 </para></listitem>
2776
2777 <listitem><para> With <option>-XDeriveTraversable</option>, you can derive instances of 
2778 the class <literal>Traversable</literal>,
2779 defined in <literal>Data.Traversable</literal>.
2780 </para></listitem>
2781 </itemizedlist>
2782 In each case the appropriate class must be in scope before it 
2783 can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
2784 </para>
2785 </sect2>
2786
2787 <sect2 id="newtype-deriving">
2788 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2789
2790 <para>
2791 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2792 the new type to inherit some instances from its representation. In
2793 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2794 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2795 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2796 example, if you define
2797
2798 <programlisting>
2799   newtype Dollars = Dollars Int 
2800 </programlisting>
2801
2802 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2803 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2804
2805 <programlisting>
2806   instance Num Dollars where
2807     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2808     ...
2809 </programlisting>
2810 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
2811 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
2812 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
2813 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
2814 dictionary, only slower!
2815 </para>
2816
2817
2818 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
2819 <para>
2820 GHC now permits such instances to be derived instead, 
2821 using the flag <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
2822 so one can write 
2823 <programlisting>
2824   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
2825 </programlisting>
2826
2827 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
2828 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
2829 derives an instance declaration of the form
2830
2831 <programlisting>
2832   instance Num Int => Num Dollars
2833 </programlisting>
2834
2835 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
2836 </para>
2837 <para>
2838
2839 We can also derive instances of constructor classes in a similar
2840 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
2841 transformers, such that
2842
2843 <programlisting>
2844   instance Monad m => Monad (State s m) 
2845   instance Monad m => Monad (Failure m)
2846 </programlisting>
2847 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
2848 <programlisting>
2849   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
2850 </programlisting>
2851
2852 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
2853 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
2854 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
2855
2856 <programlisting>
2857   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2858                          deriving Monad
2859 </programlisting>
2860 In this case the derived instance declaration is of the form 
2861 <programlisting>
2862   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
2863 </programlisting>
2864
2865 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
2866 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
2867 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
2868 "eta-converted" to generate the context of the instance
2869 declaration.
2870 </para>
2871 <para>
2872
2873 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
2874 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
2875 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
2876 clause. For example, given the class
2877
2878 <programlisting>
2879   class StateMonad s m | m -> s where ... 
2880   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
2881 </programlisting>
2882 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
2883 <programlisting>
2884   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2885                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
2886 </programlisting>
2887
2888 The derived instance is obtained by completing the application of the
2889 class to the new type:
2890
2891 <programlisting>
2892   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
2893            StateMonad [tok] (Parser tok m)
2894 </programlisting>
2895 </para>
2896 <para>
2897
2898 As a result of this extension, all derived instances in newtype
2899  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
2900 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
2901 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
2902 the newtype and its representation.
2903 </para>
2904 </sect3>
2905
2906 <sect3> <title> A more precise specification </title>
2907 <para>
2908 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
2909 declaration (after expansion of any type synonyms)
2910
2911 <programlisting>
2912   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
2913 </programlisting>
2914
2915 where 
2916  <itemizedlist>
2917 <listitem><para>
2918   The <literal>ci</literal> are partial applications of
2919   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
2920   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
2921 </para></listitem>
2922 <listitem><para>
2923   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
2924 </para></listitem>
2925 <listitem><para>
2926   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
2927 </para></listitem>
2928 <listitem><para>
2929   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
2930   nor in the <literal>ci</literal>, and
2931 </para></listitem>
2932 <listitem><para>
2933   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
2934                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
2935                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
2936                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
2937                 via this new mechanism.  
2938 </para></listitem>
2939 </itemizedlist>
2940 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
2941 declaration is:
2942 <programlisting>
2943   instance ci t => ci (T v1...vk)
2944 </programlisting>
2945 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
2946 <programlisting>
2947   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
2948 </programlisting>
2949 Here we cannot derive the instance 
2950 <programlisting>
2951   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
2952 </programlisting>
2953
2954 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
2955 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
2956 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
2957 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
2958 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
2959 </para>
2960 <para>
2961
2962 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
2963 important, since we can only derive instances for the last one. If the
2964 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
2965
2966 <programlisting>
2967   class StateMonad m s | m -> s where ... 
2968 </programlisting>
2969
2970 then we would not have been able to derive an instance for the
2971 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
2972 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
2973 instances is most interesting.
2974 </para>
2975 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
2976 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
2977 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
2978 4.3.3. of the Haskell Report).
2979 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2980 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
2981 the standard method is used or the one described here.)
2982 </para>
2983 </sect3>
2984 </sect2>
2985 </sect1>
2986
2987
2988 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
2989 <sect1 id="type-class-extensions">
2990 <title>Class and instances declarations</title>
2991
2992 <sect2 id="multi-param-type-classes">
2993 <title>Class declarations</title>
2994
2995 <para>
2996 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
2997 There's lots of background in the paper <ulink
2998 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space/">Type
2999 classes: exploring the design space</ulink> (Simon Peyton Jones, Mark
3000 Jones, Erik Meijer).
3001 </para>
3002 <para>
3003 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
3004 </para>
3005
3006 <sect3>
3007 <title>Multi-parameter type classes</title>
3008 <para>
3009 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
3010
3011
3012 <programlisting>
3013   class Collection c a where
3014     union :: c a -> c a -> c a
3015     ...etc.
3016 </programlisting>
3017
3018 </para>
3019 </sect3>
3020
3021 <sect3>
3022 <title>The superclasses of a class declaration</title>
3023
3024 <para>
3025 There are no restrictions on the context in a class declaration
3026 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
3027 be acyclic.  So these class declarations are OK:
3028
3029
3030 <programlisting>
3031   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
3032     ...
3033
3034   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
3035     lift :: m a -> (t m) a
3036 </programlisting>
3037
3038
3039 </para>
3040 <para>
3041 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
3042 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
3043 this is OK:
3044
3045
3046 <programlisting>
3047   class C a where {
3048     op :: D b => a -> b -> b
3049   }
3050
3051   class C a => D a where { ... }
3052 </programlisting>
3053
3054
3055 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
3056 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
3057 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
3058 </para>
3059 </sect3>
3060
3061
3062
3063
3064 <sect3 id="class-method-types">
3065 <title>Class method types</title>
3066
3067 <para>
3068 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
3069 class type variable, thus:
3070 <programlisting>
3071   class Seq s a where
3072     fromList :: [a] -> s a
3073     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
3074 </programlisting>
3075 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
3076 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
3077 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
3078 GHC lifts this restriction (flag <option>-XConstrainedClassMethods</option>).
3079 </para>
3080
3081
3082 </sect3>
3083 </sect2>
3084
3085 <sect2 id="functional-dependencies">
3086 <title>Functional dependencies
3087 </title>
3088
3089 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
3090 in &ldquo;<ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/jones00type.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
3091 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
3092 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
3093 .
3094 </para>
3095 <para>
3096 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
3097 class declaration;  e.g. 
3098 <programlisting>
3099   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
3100
3101   class Foo a b c | a b -> c where ...
3102 </programlisting>
3103 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
3104 </para>
3105
3106 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
3107 <para>
3108 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
3109 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
3110 from the free variables of each method type.
3111 For example:
3112
3113 <programlisting>
3114   class Coll s a where
3115     empty  :: s
3116     insert :: s -> a -> s
3117 </programlisting>
3118
3119 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
3120 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
3121 reachable:
3122 <programlisting>
3123   class Coll s a | s -> a where
3124     empty  :: s
3125     insert :: s -> a -> s
3126 </programlisting>
3127
3128 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
3129
3130 <programlisting>
3131   class Coll s a where
3132     empty  :: s a
3133     insert :: s a -> a -> s a
3134 </programlisting>
3135
3136
3137 which makes the connection between the type of a collection of
3138 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
3139 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
3140 class like this:
3141
3142
3143 <programlisting>
3144   class CollE s where
3145     empty  :: s
3146
3147   class CollE s => Coll s a where
3148     insert :: s -> a -> s
3149 </programlisting>
3150 </para>
3151 </sect3>
3152
3153
3154 <sect3>
3155 <title>Background on functional dependencies</title>
3156
3157 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
3158 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
3159 permission of Mark Jones.
3160 </para>
3161 <para> 
3162 Consider the following class, intended as part of a
3163 library for collection types:
3164 <programlisting>
3165    class Collects e ce where
3166        empty  :: ce
3167        insert :: e -> ce -> ce
3168        member :: e -> ce -> Bool
3169 </programlisting>
3170 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
3171 of the container itself. Within this framework, we might want to define
3172 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
3173 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
3174 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
3175 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
3176 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
3177 <programlisting>
3178    instance Eq e => Collects e [e] where ...
3179    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
3180    instance Collects Char BitSet where ...
3181    instance (Hashable e, Collects a ce)
3182               => Collects e (Array Int ce) where ...
3183 </programlisting>
3184 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
3185 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
3186 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
3187 <programlisting>
3188    empty :: Collects e ce => ce
3189 </programlisting>
3190 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
3191 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
3192 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
3193 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
3194 type.
3195 </para>
3196 <para>
3197 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
3198 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
3199 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
3200 them. For example, consider the following two functions: 
3201 <programlisting>
3202    f x y = insert x . insert y
3203    g     = f True 'a'
3204 </programlisting>
3205 for which GHC infers the following types: 
3206 <programlisting>
3207    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3208    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
3209 </programlisting>
3210 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
3211 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
3212 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
3213 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
3214 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
3215 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
3216 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
3217 might even be in a different module.
3218 </para>
3219
3220 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
3221
3222 <para>
3223 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
3224 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
3225 <programlisting>
3226    class Collects e c where
3227       empty  :: c e
3228       insert :: e -> c e -> c e
3229       member :: e -> c e -> Bool
3230 </programlisting>
3231 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
3232 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
3233 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
3234 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
3235 e</literal>, which is not ambiguous. 
3236 </para>
3237 <para>
3238 The function f from the previous section has a more accurate type: 
3239 <programlisting>
3240    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
3241 </programlisting>
3242 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
3243 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
3244 different types. 
3245 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
3246 quite well in practice, without ambiguity problems.
3247 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
3248 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
3249 for <literal>Collects</literal>
3250 given above can be used with this version of Collects because only one of
3251 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
3252 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
3253 </para>
3254 </sect4>
3255
3256 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
3257
3258 <para>
3259 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
3260 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
3261 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
3262 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
3263 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
3264 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
3265 later framework for "improvement" of qualified types. The
3266 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
3267 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
3268 general design space for systems of implicit parameterization.).
3269
3270 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
3271 <programlisting>
3272    class C a b where ...
3273 </programlisting>
3274 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
3275 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
3276 included in the definition of classes to add information about dependencies
3277 between parameters, as in the following examples: 
3278 <programlisting>
3279    class D a b | a -> b where ...
3280    class E a b | a -> b, b -> a where ...
3281 </programlisting>
3282 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
3283 symbols --- not to be
3284 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
3285 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
3286 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
3287 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
3288 represents a (partial) one-one mapping between types.
3289 </para>
3290 <para>
3291 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
3292 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
3293 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
3294 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
3295 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
3296 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
3297 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
3298 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
3299 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
3300 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
3301 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
3302 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
3303 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
3304 <literal>a-&gt;b</literal>, 
3305  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
3306 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
3307 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
3308 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
3309 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
3310 unchanged.
3311 </para>
3312 <para>
3313 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
3314 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
3315 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
3316 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
3317 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
3318 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
3319 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
3320 <programlisting>
3321    instance D Bool Int where ...
3322    instance D Bool Char where ...
3323 </programlisting>
3324 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
3325 <programlisting>
3326    instance D [a] b where ...
3327 </programlisting>
3328 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
3329 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
3330 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
3331 in any instance of the form: 
3332 <programlisting>
3333    instance D t s where ...
3334 </programlisting>
3335 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
3336 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
3337 uniquely determined.
3338 </para>
3339 <para>
3340 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
3341 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
3342 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
3343 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
3344 with a simple dependency: 
3345 <programlisting>
3346    class Collects e ce | ce -> e where
3347       empty  :: ce
3348       insert :: e -> ce -> ce
3349       member :: e -> ce -> Bool
3350 </programlisting>
3351 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
3352 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
3353 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
3354 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
3355 together with this new definition.
3356 </para>
3357 <para>
3358 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
3359 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
3360 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
3361 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
3362 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
3363 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
3364 give enough information to determine types for both ce and e, without
3365 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
3366 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
3367 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
3368 </para>
3369 <para>
3370 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
3371 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
3372 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
3373 function f: 
3374 <programlisting>
3375    f x y = insert x y = insert x . insert y
3376 </programlisting>
3377 for which we originally obtained a type: 
3378 <programlisting>
3379    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3380 </programlisting>
3381 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
3382 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
3383 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
3384 can infer a shorter and more accurate type for f: 
3385 <programlisting>
3386    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
3387 </programlisting>
3388 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
3389 </para>
3390 <para>
3391 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
3392 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
3393 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
3394 sets of instance declarations.
3395 </para>
3396 </sect4>
3397 </sect3>
3398 </sect2>
3399
3400 <sect2 id="instance-decls">
3401 <title>Instance declarations</title>
3402
3403 <para>An instance declaration has the form
3404 <screen>
3405   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 ...
3406 </screen>
3407 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
3408 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
3409 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
3410 </para>
3411
3412 <sect3 id="flexible-instance-head">
3413 <title>Relaxed rules for the instance head</title>
3414
3415 <para>
3416 In Haskell 98 the head of an instance declaration
3417 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
3418 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a data type constructor,
3419 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
3420 GHC relaxes these rules in two ways.
3421 <itemizedlist>
3422 <listitem>
3423 <para>
3424 The <option>-XFlexibleInstances</option> flag allows the head of the instance
3425 declaration to mention arbitrary nested types.
3426 For example, this becomes a legal instance declaration
3427 <programlisting>
3428   instance C (Maybe Int) where ...
3429 </programlisting>
3430 See also the <link linkend="instance-overlap">rules on overlap</link>.
3431 </para></listitem>
3432 <listitem><para>
3433 With the <option>-XTypeSynonymInstances</option> flag, instance heads may use type
3434 synonyms. As always, using a type synonym is just shorthand for
3435 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
3436
3437
3438 <programlisting>
3439   type Point = (Int,Int)
3440   instance C Point   where ...
3441   instance C [Point] where ...
3442 </programlisting>
3443
3444
3445 is legal.  However, if you added
3446
3447
3448 <programlisting>
3449   instance C (Int,Int) where ...
3450 </programlisting>
3451
3452
3453 as well, then the compiler will complain about the overlapping
3454 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
3455 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
3456
3457 <programlisting>
3458   type P a = [[a]]
3459   instance Monad P where ...
3460 </programlisting>
3461
3462 </para></listitem>
3463 </itemizedlist>
3464 </para>
3465 </sect3>
3466
3467 <sect3 id="instance-rules">
3468 <title>Relaxed rules for instance contexts</title>
3469
3470 <para>In Haskell 98, the assertions in the context of the instance declaration
3471 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
3472 is a type variable that occurs in the head.
3473 </para>
3474
3475 <para>
3476 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag relaxes this rule, as well
3477 as the corresponding rule for type signatures (see <xref linkend="flexible-contexts"/>).
3478 With this flag the context of the instance declaration can each consist of arbitrary
3479 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
3480 following rules:
3481 <orderedlist>
3482 <listitem><para>
3483 The Paterson Conditions: for each assertion in the context
3484 <orderedlist>
3485 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
3486 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
3487       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
3488 </orderedlist>
3489 </para></listitem>
3490
3491 <listitem><para>The Coverage Condition.  For each functional dependency,
3492 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
3493 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
3494 every type variable in
3495 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
3496 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
3497 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
3498 corresponding type in the instance declaration.
3499 </para></listitem>
3500 </orderedlist>
3501 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
3502 step makes the problem smaller by at least one
3503 constructor.  Both the Paterson Conditions and the Coverage Condition are lifted 
3504 if you give the <option>-XUndecidableInstances</option> 
3505 flag (<xref linkend="undecidable-instances"/>).
3506 You can find lots of background material about the reason for these
3507 restrictions in the paper <ulink
3508 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
3509 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
3510 </para>
3511 <para>
3512 For example, these are OK:
3513 <programlisting>
3514   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
3515   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
3516
3517       -- Repeated type variable in head
3518   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
3519   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
3520
3521       -- Head can consist of type variables only
3522   instance C a
3523   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
3524
3525       -- Non-type variables in context
3526   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
3527   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
3528   instance C2 Int a => C3 [a] b
3529 </programlisting>
3530 But these are not:
3531 <programlisting>
3532       -- Context assertion no smaller than head
3533   instance C a => C a where ...
3534       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
3535   instance C b b => Foo [b] where ...
3536 </programlisting>
3537 </para>
3538
3539 <para>
3540 The same restrictions apply to instances generated by
3541 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
3542 <programlisting>
3543   data MinHeap h a = H a (h a)
3544     deriving (Show)
3545 </programlisting>
3546 because the derived instance
3547 <programlisting>
3548   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
3549 </programlisting>
3550 conforms to the above rules.
3551 </para>
3552
3553 <para>
3554 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
3555 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
3556 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
3557 something more specific does not:
3558 <programlisting>
3559   instance C a where
3560     op = ... -- Default
3561 </programlisting>
3562 </para>
3563 </sect3>
3564
3565 <sect3 id="undecidable-instances">
3566 <title>Undecidable instances</title>
3567
3568 <para>
3569 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
3570 For example, sometimes you might want to use the following to get the
3571 effect of a "class synonym":
3572 <programlisting>
3573   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3574
3575   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3576 </programlisting>
3577 This allows you to write shorter signatures:
3578 <programlisting>
3579   f :: C a => ...
3580 </programlisting>
3581 instead of
3582 <programlisting>
3583   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
3584 </programlisting>
3585 The restrictions on functional dependencies (<xref
3586 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
3587 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
3588 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
3589 <programlisting>
3590   class HasConverter a b | a -> b where
3591      convert :: a -> b
3592    
3593   data Foo a = MkFoo a
3594
3595   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
3596      show (MkFoo value) = show (convert value)
3597 </programlisting>
3598 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
3599 typechecker loop:
3600 <programlisting>
3601   class D a
3602   class F a b | a->b
3603   instance F [a] [[a]]
3604   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
3605 </programlisting>
3606 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
3607 <programlisting>
3608   class Mul a b c | a b -> c where
3609         (.*.) :: a -> b -> c
3610
3611   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
3612   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
3613   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
3614 </programlisting>
3615 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
3616 and indeed the (somewhat strange) definition:
3617 <programlisting>
3618   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
3619 </programlisting>
3620 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
3621 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
3622 </para>
3623 <para>
3624 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
3625 the experimental flag <option>-XUndecidableInstances</option>
3626 <indexterm><primary>-XUndecidableInstances</primary></indexterm>, 
3627 both the Paterson Conditions and the Coverage Condition
3628 (described in <xref linkend="instance-rules"/>) are lifted.  Termination is ensured by having a
3629 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
3630 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
3631 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
3632 </para>
3633
3634 </sect3>
3635
3636
3637 <sect3 id="instance-overlap">
3638 <title>Overlapping instances</title>
3639 <para>
3640 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
3641 declaration
3642 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
3643 can be modified by two flags: <option>-XOverlappingInstances</option>
3644 <indexterm><primary>-XOverlappingInstances
3645 </primary></indexterm> 
3646 and <option>-XIncoherentInstances</option>
3647 <indexterm><primary>-XIncoherentInstances
3648 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
3649 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
3650 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
3651 <para>
3652 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
3653 it tries to match every instance declaration against the
3654 constraint,
3655 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
3656 these declarations:
3657 <programlisting>
3658   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
3659   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
3660   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
3661   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
3662 </programlisting>
3663 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
3664 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
3665 no account of the context of the instance declaration
3666 (<literal>context1</literal> etc).
3667 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
3668 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
3669 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
3670 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
3671 particular constraint matches more than one.
3672 </para>
3673
3674 <para>
3675 The <option>-XOverlappingInstances</option> flag instructs GHC to allow
3676 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
3677 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
3678 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
3679 most-specific match, the program is rejected.
3680 </para>
3681 <para>
3682 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
3683 <programlisting>
3684   f :: [b] -> [b]
3685   f x = ...
3686 </programlisting>
3687 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
3688 <literal>C Int [b]</literal>.  But
3689 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
3690 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
3691 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
3692 So GHC rejects the program.  
3693 (If you add the flag <option>-XIncoherentInstances</option>,
3694 GHC will instead pick (C), without complaining about 
3695 the problem of subsequent instantiations.)
3696 </para>
3697 <para>
3698 Notice that we gave a type signature to <literal>f</literal>, so GHC had to
3699 <emphasis>check</emphasis> that <literal>f</literal> has the specified type.  
3700 Suppose instead we do not give a type signature, asking GHC to <emphasis>infer</emphasis>
3701 it instead.  In this case, GHC will refrain from
3702 simplifying the constraint <literal>C Int [b]</literal> (for the same reason
3703 as before) but, rather than rejecting the program, it will infer the type
3704 <programlisting>
3705   f :: C Int [b] => [b] -> [b]
3706 </programlisting>
3707 That postpones the question of which instance to pick to the 
3708 call site for <literal>f</literal>
3709 by which time more is known about the type <literal>b</literal>.
3710 You can write this type signature yourself if you use the 
3711 <link linkend="flexible-contexts"><option>-XFlexibleContexts</option></link>
3712 flag.
3713 </para>
3714 <para>
3715 Exactly the same situation can arise in instance declarations themselves.  Suppose we have
3716 <programlisting>
3717   class Foo a where
3718      f :: a -> a
3719   instance Foo [b] where
3720      f x = ...
3721 </programlisting>
3722 and, as before, the constraint <literal>C Int [b]</literal> arises from <literal>f</literal>'s
3723 right hand side.  GHC will reject the instance, complaining as before that it does not know how to resolve
3724 the constraint <literal>C Int [b]</literal>, because it matches more than one instance
3725 declaration.  The solution is to postpone the choice by adding the constraint to the context
3726 of the instance declaration, thus:
3727 <programlisting>
3728   instance C Int [b] => Foo [b] where
3729      f x = ...
3730 </programlisting>
3731 (You need <link linkend="instance-rules"><option>-XFlexibleInstances</option></link> to do this.)
3732 </para>
3733 <para>
3734 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
3735 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
3736 presence or otherwise of the <option>-XOverlappingInstances</option> 
3737 and <option>-XIncoherentInstances</option> flags when that module is
3738 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
3739 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
3740 <itemizedlist>
3741 <listitem><para>
3742 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
3743 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
3744 <option>-XOverlappingInstances</option>.  The flag setting for the
3745 more-specific instance does not matter.
3746 </para></listitem>
3747 <listitem><para>
3748 Suppose an instance declaration does not match the constraint being looked up, but
3749 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
3750 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
3751 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
3752 <option>-XIncoherentInstances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
3753 check for that declaration.
3754 </para></listitem>
3755 </itemizedlist>
3756 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
3757 overlapping instances without the library client having to know.  
3758 </para>
3759 <para>
3760 If an instance declaration is compiled without
3761 <option>-XOverlappingInstances</option>,
3762 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
3763 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
3764 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
3765 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
3766 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
3767 are compiled, if the <option>-XOverlappingInstances</option> flag is
3768 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
3769 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
3770 </para>
3771 <para>The <option>-XIncoherentInstances</option> flag implies the
3772 <option>-XOverlappingInstances</option> flag, but not vice versa.
3773 </para>
3774 </sect3>
3775
3776
3777
3778 </sect2>
3779
3780 <sect2 id="overloaded-strings">
3781 <title>Overloaded string literals
3782 </title>
3783
3784 <para>
3785 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
3786 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
3787 literals enabled (with <literal>-XOverloadedStrings</literal>)
3788  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
3789 </para>
3790 <para>
3791 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
3792 and other variations of string like types.  String literals behave very much
3793 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
3794 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
3795 way as an integer literal is.
3796 </para>
3797 <para>
3798 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
3799 <programlisting>
3800 class IsString a where
3801     fromString :: String -> a
3802 </programlisting>
3803 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
3804 <programlisting>
3805 instance IsString [Char] where
3806     fromString cs = cs
3807 </programlisting>
3808 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
3809 it explicitly (for example, to give an instance declaration for it), you can import it
3810 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
3811 </para>
3812 <para>
3813 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-XOverloadedStrings</option> is specified.
3814 Specifically:
3815 <itemizedlist>
3816 <listitem><para>
3817 Each type in a default declaration must be an 
3818 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
3819 </para></listitem>
3820
3821 <listitem><para>
3822 The standard defaulting rule (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
3823 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
3824 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
3825 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
3826 </para></listitem>
3827 </itemizedlist>
3828 </para>
3829 <para>
3830 A small example:
3831 <programlisting>
3832 module Main where
3833
3834 import GHC.Exts( IsString(..) )
3835
3836 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
3837 instance IsString MyString where
3838     fromString = MyString
3839
3840 greet :: MyString -> MyString
3841 greet "hello" = "world"
3842 greet other = other
3843
3844 main = do
3845     print $ greet "hello"
3846     print $ greet "fool"
3847 </programlisting>
3848 </para>
3849 <para>
3850 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
3851 to work since it gets translated into an equality comparison.
3852 </para>
3853 </sect2>
3854
3855 </sect1>
3856
3857 <sect1 id="type-families">
3858 <title>Type families</title>
3859
3860 <para>
3861   <firstterm>Indexed type families</firstterm> are a new GHC extension to
3862   facilitate type-level 
3863   programming. Type families are a generalisation of <firstterm>associated
3864   data types</firstterm> 
3865   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKPM05.html">Associated 
3866   Types with Class</ulink>&rdquo;, M. Chakravarty, G. Keller, S. Peyton Jones,
3867   and S. Marlow. In Proceedings of &ldquo;The 32nd Annual ACM SIGPLAN-SIGACT
3868      Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'05)&rdquo;, pages
3869   1-13, ACM Press, 2005) and <firstterm>associated type synonyms</firstterm>
3870   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKP05.html">Type  
3871   Associated Type Synonyms</ulink>&rdquo;. M. Chakravarty, G. Keller, and
3872   S. Peyton Jones. 
3873   In Proceedings of &ldquo;The Tenth ACM SIGPLAN International Conference on
3874   Functional Programming&rdquo;, ACM Press, pages 241-253, 2005).  Type families
3875   themselves are described in the paper &ldquo;<ulink 
3876   url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
3877   Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;, T. Schrijvers,
3878   S. Peyton-Jones, 
3879   M. Chakravarty, and M. Sulzmann, in Proceedings of &ldquo;ICFP 2008: The
3880   13th ACM SIGPLAN International Conference on Functional
3881   Programming&rdquo;, ACM Press, pages 51-62, 2008. Type families
3882   essentially provide type-indexed data types and named functions on types,
3883   which are useful for generic programming and highly parameterised library
3884   interfaces as well as interfaces with enhanced static information, much like
3885   dependent types. They might also be regarded as an alternative to functional
3886   dependencies, but provide a more functional style of type-level programming
3887   than the relational style of functional dependencies. 
3888 </para>
3889 <para>
3890   Indexed type families, or type families for short, are type constructors that
3891   represent sets of types. Set members are denoted by supplying the type family
3892   constructor with type parameters, which are called <firstterm>type
3893   indices</firstterm>. The 
3894   difference between vanilla parametrised type constructors and family
3895   constructors is much like between parametrically polymorphic functions and
3896   (ad-hoc polymorphic) methods of type classes. Parametric polymorphic functions
3897   behave the same at all type instances, whereas class methods can change their
3898   behaviour in dependence on the class type parameters. Similarly, vanilla type
3899   constructors imply the same data representation for all type instances, but
3900   family constructors can have varying representation types for varying type
3901   indices. 
3902 </para>
3903 <para>
3904   Indexed type families come in two flavours: <firstterm>data
3905     families</firstterm> and <firstterm>type synonym 
3906     families</firstterm>. They are the indexed family variants of algebraic
3907   data types and type synonyms, respectively. The instances of data families
3908   can be data types and newtypes. 
3909 </para>
3910 <para>
3911   Type families are enabled by the flag <option>-XTypeFamilies</option>.
3912   Additional information on the use of type families in GHC is available on
3913   <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GHC/Indexed_types">the
3914   Haskell wiki page on type families</ulink>.
3915 </para>
3916
3917 <sect2 id="data-families">
3918   <title>Data families</title>
3919
3920   <para>
3921     Data families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
3922     toplevel 
3923     or (2) they can appear inside type classes (in which case they are known as
3924     associated types). The former is the more general variant, as it lacks the
3925     requirement for the type-indexes to coincide with the class
3926     parameters. However, the latter can lead to more clearly structured code and
3927     compiler warnings if some type instances were - possibly accidentally -
3928     omitted. In the following, we always discuss the general toplevel form first
3929     and then cover the additional constraints placed on associated types.
3930   </para>
3931
3932   <sect3 id="data-family-declarations"> 
3933     <title>Data family declarations</title>
3934
3935     <para>
3936       Indexed data families are introduced by a signature, such as 
3937 <programlisting>
3938 data family GMap k :: * -> *
3939 </programlisting>
3940       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
3941       data declarations.  The result kind annotation is optional and, as
3942       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is
3943 <programlisting>
3944 data family Array e
3945 </programlisting>
3946       Named arguments can also be given explicit kind signatures if needed.
3947       Just as with
3948       [http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/users_guide/gadt.html GADT
3949       declarations] named arguments are entirely optional, so that we can
3950       declare <literal>Array</literal> alternatively with 
3951 <programlisting>
3952 data family Array :: * -> *
3953 </programlisting>
3954     </para>
3955
3956     <sect4 id="assoc-data-family-decl">
3957       <title>Associated data family declarations</title>
3958       <para>
3959         When a data family is declared as part of a type class, we drop
3960         the <literal>family</literal> special.  The <literal>GMap</literal>
3961         declaration takes the following form 
3962 <programlisting>
3963 class GMapKey k where
3964   data GMap k :: * -> *
3965   ...
3966 </programlisting>
3967         In contrast to toplevel declarations, named arguments must be used for
3968         all type parameters that are to be used as type-indexes.  Moreover,
3969         the argument names must be class parameters.  Each class parameter may
3970         only be used at most once per associated type, but some may be omitted
3971         and they may be in an order other than in the class head.  Hence, the
3972         following contrived example is admissible: 
3973 <programlisting>
3974   class C a b c where
3975   data T c a :: *
3976 </programlisting>
3977       </para>
3978     </sect4>
3979   </sect3>
3980
3981   <sect3 id="data-instance-declarations"> 
3982     <title>Data instance declarations</title>
3983
3984     <para>
3985       Instance declarations of data and newtype families are very similar to
3986       standard data and newtype declarations.  The only two differences are
3987       that the keyword <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>
3988       is followed by <literal>instance</literal> and that some or all of the
3989       type arguments can be non-variable types, but may not contain forall
3990       types or type synonym families.  However, data families are generally
3991       allowed in type parameters, and type synonyms are allowed as long as
3992       they are fully applied and expand to a type that is itself admissible -
3993       exactly as this is required for occurrences of type synonyms in class
3994       instance parameters.  For example, the <literal>Either</literal>
3995       instance for <literal>GMap</literal> is 
3996 <programlisting>
3997 data instance GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
3998 </programlisting>
3999       In this example, the declaration has only one variant.  In general, it
4000       can be any number.
4001     </para>
4002     <para>
4003       Data and newtype instance declarations are only permitted when an
4004       appropriate family declaration is in scope - just as a class instance declaratoin
4005       requires the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4006       declaration has to conform to the kind determined by its family
4007       declaration.  This implies that the number of parameters of an instance
4008       declaration matches the arity determined by the kind of the family.
4009     </para>
4010     <para>
4011       A data family instance declaration can use the full exprssiveness of
4012       ordinary <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declarations:
4013       <itemizedlist>
4014       <listitem><para> Although, a data family is <emphasis>introduced</emphasis> with
4015       the keyword "<literal>data</literal>", a data family <emphasis>instance</emphasis> can 
4016       use either <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>. For example:
4017 <programlisting>
4018 data family T a
4019 data    instance T Int  = T1 Int | T2 Bool
4020 newtype instance T Char = TC Bool
4021 </programlisting>
4022       </para></listitem>
4023       <listitem><para> A <literal>data instance</literal> can use GADT syntax for the data constructors,
4024       and indeed can define a GADT.  For example:
4025 <programlisting>
4026 data family G a b
4027 data instance G [a] b where
4028    G1 :: c -> G [Int] b
4029    G2 :: G [a] Bool
4030 </programlisting>
4031       </para></listitem>
4032       <listitem><para> You can use a <literal>deriving</literal> clause on a
4033       <literal>data instance</literal> or <literal>newtype instance</literal>
4034       declaration.
4035       </para></listitem>
4036       </itemizedlist>
4037     </para>
4038
4039     <para>
4040       Even if type families are defined as toplevel declarations, functions
4041       that perform different computations for different family instances may still
4042       need to be defined as methods of type classes.  In particular, the
4043       following is not possible: 
4044 <programlisting>
4045 data family T a
4046 data instance T Int  = A
4047 data instance T Char = B
4048 foo :: T a -> Int
4049 foo A = 1             -- WRONG: These two equations together...
4050 foo B = 2             -- ...will produce a type error.
4051 </programlisting>
4052 Instead, you would have to write <literal>foo</literal> as a class operation, thus:
4053 <programlisting>
4054 class C a where 
4055   foo :: T a -> Int
4056 instance Foo Int where
4057   foo A = 1
4058 instance Foo Char where
4059   foo B = 2
4060 </programlisting>
4061       (Given the functionality provided by GADTs (Generalised Algebraic Data
4062       Types), it might seem as if a definition, such as the above, should be
4063       feasible.  However, type families are - in contrast to GADTs - are
4064       <emphasis>open;</emphasis> i.e., new instances can always be added,
4065       possibly in other 
4066       modules.  Supporting pattern matching across different data instances
4067       would require a form of extensible case construct.)
4068     </para>
4069
4070     <sect4 id="assoc-data-inst">
4071       <title>Associated data instances</title>
4072       <para>
4073         When an associated data family instance is declared within a type
4074         class instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the
4075         family instance.  So, the <literal>Either</literal> instance
4076         for <literal>GMap</literal> becomes: 
4077 <programlisting>
4078 instance (GMapKey a, GMapKey b) => GMapKey (Either a b) where
4079   data GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4080   ...
4081 </programlisting>
4082         The most important point about associated family instances is that the
4083         type indexes corresponding to class parameters must be identical to
4084         the type given in the instance head; here this is the first argument
4085         of <literal>GMap</literal>, namely <literal>Either a b</literal>,
4086         which coincides with the only class parameter.  Any parameters to the
4087         family constructor that do not correspond to class parameters, need to
4088         be variables in every instance; here this is the
4089         variable <literal>v</literal>. 
4090       </para>
4091       <para>
4092         Instances for an associated family can only appear as part of
4093         instances declarations of the class in which the family was declared -
4094         just as with the equations of the methods of a class.  Also in
4095         correspondence to how methods are handled, declarations of associated
4096         types can be omitted in class instances.  If an associated family
4097         instance is omitted, the corresponding instance type is not inhabited;
4098         i.e., only diverging expressions, such
4099         as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4100       </para>
4101     </sect4>
4102
4103     <sect4 id="scoping-class-params">
4104       <title>Scoping of class parameters</title>
4105       <para>
4106         In the case of multi-parameter type classes, the visibility of class
4107         parameters in the right-hand side of associated family instances
4108         depends <emphasis>solely</emphasis> on the parameters of the data
4109         family.  As an example, consider the simple class declaration 
4110 <programlisting>
4111 class C a b where
4112   data T a
4113 </programlisting>
4114         Only one of the two class parameters is a parameter to the data
4115         family.  Hence, the following instance declaration is invalid: 
4116 <programlisting>
4117 instance C [c] d where
4118   data T [c] = MkT (c, d)    -- WRONG!!  'd' is not in scope
4119 </programlisting>
4120         Here, the right-hand side of the data instance mentions the type
4121         variable <literal>d</literal> that does not occur in its left-hand
4122         side.  We cannot admit such data instances as they would compromise
4123         type safety. 
4124       </para>
4125     </sect4>
4126
4127     <sect4 id="family-class-inst">
4128       <title>Type class instances of family instances</title>
4129       <para>
4130         Type class instances of instances of data families can be defined as
4131         usual, and in particular data instance declarations can
4132         have <literal>deriving</literal> clauses.  For example, we can write 
4133 <programlisting>
4134 data GMap () v = GMapUnit (Maybe v)
4135                deriving Show
4136 </programlisting>
4137         which implicitly defines an instance of the form
4138 <programlisting>
4139 instance Show v => Show (GMap () v) where ...
4140 </programlisting>
4141       </para>
4142       <para>
4143         Note that class instances are always for
4144         particular <emphasis>instances</emphasis> of a data family and never
4145         for an entire family as a whole.  This is for essentially the same
4146         reasons that we cannot define a toplevel function that performs
4147         pattern matching on the data constructors
4148         of <emphasis>different</emphasis> instances of a single type family.
4149         It would require a form of extensible case construct. 
4150       </para>
4151     </sect4>
4152
4153     <sect4 id="data-family-overlap">
4154       <title>Overlap of data instances</title>
4155       <para>
4156         The instance declarations of a data family used in a single program
4157         may not overlap at all, independent of whether they are associated or
4158         not.  In contrast to type class instances, this is not only a matter
4159         of consistency, but one of type safety. 
4160       </para>
4161     </sect4>
4162
4163   </sect3>
4164
4165   <sect3 id="data-family-import-export">
4166     <title>Import and export</title>
4167
4168     <para>
4169       The association of data constructors with type families is more dynamic
4170       than that is the case with standard data and newtype declarations.  In
4171       the standard case, the notation <literal>T(..)</literal> in an import or
4172       export list denotes the type constructor and all the data constructors
4173       introduced in its declaration.  However, a family declaration never
4174       introduces any data constructors; instead, data constructors are
4175       introduced by family instances.  As a result, which data constructors
4176       are associated with a type family depends on the currently visible
4177       instance declarations for that family.  Consequently, an import or
4178       export item of the form <literal>T(..)</literal> denotes the family
4179       constructor and all currently visible data constructors - in the case of
4180       an export item, these may be either imported or defined in the current
4181       module.  The treatment of import and export items that explicitly list
4182       data constructors, such as <literal>GMap(GMapEither)</literal>, is
4183       analogous. 
4184     </para>
4185
4186     <sect4 id="data-family-impexp-assoc">
4187       <title>Associated families</title>
4188       <para>
4189         As expected, an import or export item of the
4190         form <literal>C(..)</literal> denotes all of the class' methods and
4191         associated types.  However, when associated types are explicitly
4192         listed as subitems of a class, we need some new syntax, as uppercase
4193         identifiers as subitems are usually data constructors, not type
4194         constructors.  To clarify that we denote types here, each associated
4195         type name needs to be prefixed by the keyword <literal>type</literal>.
4196         So for example, when explicitly listing the components of
4197         the <literal>GMapKey</literal> class, we write <literal>GMapKey(type
4198         GMap, empty, lookup, insert)</literal>. 
4199       </para>
4200     </sect4>
4201
4202     <sect4 id="data-family-impexp-examples">
4203       <title>Examples</title>
4204       <para>
4205         Assuming our running <literal>GMapKey</literal> class example, let us
4206         look at some export lists and their meaning: 
4207         <itemizedlist>
4208           <listitem>
4209             <para><literal>module GMap (GMapKey) where...</literal>: Exports
4210               just the class name.</para>
4211           </listitem>
4212           <listitem>
4213             <para><literal>module GMap (GMapKey(..)) where...</literal>:
4214               Exports the class, the associated type <literal>GMap</literal>
4215               and the member
4216               functions <literal>empty</literal>, <literal>lookup</literal>,
4217               and <literal>insert</literal>.  None of the data constructors is 
4218               exported.</para>
4219           </listitem> 
4220           <listitem>
4221             <para><literal>module GMap (GMapKey(..), GMap(..))
4222                 where...</literal>: As before, but also exports all the data
4223               constructors <literal>GMapInt</literal>, 
4224               <literal>GMapChar</literal>,  
4225               <literal>GMapUnit</literal>, <literal>GMapPair</literal>,
4226               and <literal>GMapUnit</literal>.</para>
4227           </listitem>
4228           <listitem>
4229             <para><literal>module GMap (GMapKey(empty, lookup, insert),
4230             GMap(..)) where...</literal>: As before.</para>
4231           </listitem>
4232           <listitem>
4233             <para><literal>module GMap (GMapKey, empty, lookup, insert, GMap(..))
4234                 where...</literal>: As before.</para>
4235           </listitem>
4236         </itemizedlist>
4237       </para>
4238       <para>
4239         Finally, you can write <literal>GMapKey(type GMap)</literal> to denote
4240         both the class <literal>GMapKey</literal> as well as its associated
4241         type <literal>GMap</literal>.  However, you cannot
4242         write <literal>GMapKey(type GMap(..))</literal> &mdash; i.e.,
4243         sub-component specifications cannot be nested.  To
4244         specify <literal>GMap</literal>'s data constructors, you have to list
4245         it separately. 
4246       </para>
4247     </sect4>
4248
4249     <sect4 id="data-family-impexp-instances">
4250       <title>Instances</title>
4251       <para>
4252         Family instances are implicitly exported, just like class instances.
4253         However, this applies only to the heads of instances, not to the data
4254         constructors an instance defines. 
4255       </para>
4256     </sect4>
4257
4258   </sect3>
4259
4260 </sect2>
4261
4262 <sect2 id="synonym-families">
4263   <title>Synonym families</title>
4264
4265   <para>
4266     Type families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4267     toplevel or (2) they can appear inside type classes (in which case they
4268     are known as associated type synonyms).  The former is the more general
4269     variant, as it lacks the requirement for the type-indexes to coincide with
4270     the class parameters.  However, the latter can lead to more clearly
4271     structured code and compiler warnings if some type instances were -
4272     possibly accidentally - omitted.  In the following, we always discuss the
4273     general toplevel form first and then cover the additional constraints
4274     placed on associated types.
4275   </para>
4276
4277   <sect3 id="type-family-declarations">
4278     <title>Type family declarations</title>
4279
4280     <para>
4281       Indexed type families are introduced by a signature, such as 
4282 <programlisting>
4283 type family Elem c :: *
4284 </programlisting>
4285       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4286       type declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4287       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is 
4288 <programlisting>
4289 type family Elem c
4290 </programlisting>
4291       Parameters can also be given explicit kind signatures if needed.  We
4292       call the number of parameters in a type family declaration, the family's
4293       arity, and all applications of a type family must be fully saturated
4294       w.r.t. to that arity.  This requirement is unlike ordinary type synonyms
4295       and it implies that the kind of a type family is not sufficient to
4296       determine a family's arity, and hence in general, also insufficient to
4297       determine whether a type family application is well formed.  As an
4298       example, consider the following declaration: 
4299 <programlisting>
4300 type family F a b :: * -> *   -- F's arity is 2, 
4301                               -- although it's overall kind is * -> * -> * -> *
4302 </programlisting>
4303       Given this declaration the following are examples of well-formed and
4304       malformed types: 
4305 <programlisting>
4306 F Char [Int]       -- OK!  Kind: * -> *
4307 F Char [Int] Bool  -- OK!  Kind: *
4308 F IO Bool          -- WRONG: kind mismatch in the first argument
4309 F Bool             -- WRONG: unsaturated application
4310 </programlisting>
4311       </para>
4312
4313     <sect4 id="assoc-type-family-decl">
4314       <title>Associated type family declarations</title>
4315       <para>
4316         When a type family is declared as part of a type class, we drop
4317         the <literal>family</literal> special.  The <literal>Elem</literal>
4318         declaration takes the following form 
4319 <programlisting>
4320 class Collects ce where
4321   type Elem ce :: *
4322   ...
4323 </programlisting>
4324         The argument names of the type family must be class parameters.  Each
4325         class parameter may only be used at most once per associated type, but
4326         some may be omitted and they may be in an order other than in the
4327         class head.  Hence, the following contrived example is admissible: 
4328 <programlisting>
4329 class C a b c where
4330   type T c a :: *
4331 </programlisting>
4332         These rules are exactly as for associated data families.
4333       </para>
4334     </sect4>
4335   </sect3>
4336
4337   <sect3 id="type-instance-declarations">
4338     <title>Type instance declarations</title>
4339     <para>
4340       Instance declarations of type families are very similar to standard type
4341       synonym declarations.  The only two differences are that the
4342       keyword <literal>type</literal> is followed
4343       by <literal>instance</literal> and that some or all of the type
4344       arguments can be non-variable types, but may not contain forall types or
4345       type synonym families. However, data families are generally allowed, and
4346       type synonyms are allowed as long as they are fully applied and expand
4347       to a type that is admissible - these are the exact same requirements as
4348       for data instances.  For example, the <literal>[e]</literal> instance
4349       for <literal>Elem</literal> is 
4350 <programlisting>
4351 type instance Elem [e] = e
4352 </programlisting>
4353     </para>
4354     <para>
4355       Type family instance declarations are only legitimate when an
4356       appropriate family declaration is in scope - just like class instances
4357       require the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4358       declaration has to conform to the kind determined by its family
4359       declaration, and the number of type parameters in an instance
4360       declaration must match the number of type parameters in the family
4361       declaration.   Finally, the right-hand side of a type instance must be a
4362       monotype (i.e., it may not include foralls) and after the expansion of
4363       all saturated vanilla type synonyms, no synonyms, except family synonyms
4364       may remain.  Here are some examples of admissible and illegal type
4365       instances: 
4366 <programlisting>
4367 type family F a :: *
4368 type instance F [Int]              = Int         -- OK!
4369 type instance F String             = Char        -- OK!
4370 type instance F (F a)              = a           -- WRONG: type parameter mentions a type family
4371 type instance F (forall a. (a, b)) = b           -- WRONG: a forall type appears in a type parameter
4372 type instance F Float              = forall a.a  -- WRONG: right-hand side may not be a forall type
4373
4374 type family G a b :: * -> *
4375 type instance G Int            = (,)     -- WRONG: must be two type parameters
4376 type instance G Int Char Float = Double  -- WRONG: must be two type parameters
4377 </programlisting>
4378     </para>
4379
4380     <sect4 id="assoc-type-instance">
4381       <title>Associated type instance declarations</title>
4382       <para>
4383         When an associated family instance is declared within a type class
4384         instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the family
4385         instance.  So, the <literal>[e]</literal> instance
4386         for <literal>Elem</literal> becomes: 
4387 <programlisting>
4388 instance (Eq (Elem [e])) => Collects ([e]) where
4389   type Elem [e] = e
4390   ...
4391 </programlisting>
4392         The most important point about associated family instances is that the
4393         type indexes corresponding to class parameters must be identical to the
4394         type given in the instance head; here this is <literal>[e]</literal>,
4395         which coincides with the only class parameter. 
4396       </para>
4397       <para>
4398         Instances for an associated family can only appear as part of  instances
4399         declarations of the class in which the family was declared - just as
4400         with the equations of the methods of a class.  Also in correspondence to
4401         how methods are handled, declarations of associated types can be omitted
4402         in class instances.  If an associated family instance is omitted, the
4403         corresponding instance type is not inhabited; i.e., only diverging
4404         expressions, such as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4405       </para>
4406     </sect4>
4407
4408     <sect4 id="type-family-overlap">
4409       <title>Overlap of type synonym instances</title>
4410       <para>
4411         The instance declarations of a type family used in a single program
4412         may only overlap if the right-hand sides of the overlapping instances
4413         coincide for the overlapping types.  More formally, two instance
4414         declarations overlap if there is a substitution that makes the
4415         left-hand sides of the instances syntactically the same.  Whenever
4416         that is the case, the right-hand sides of the instances must also be
4417         syntactically equal under the same substitution.  This condition is
4418         independent of whether the type family is associated or not, and it is
4419         not only a matter of consistency, but one of type safety. 
4420       </para>
4421       <para>
4422         Here are two example to illustrate the condition under which overlap
4423         is permitted. 
4424 <programlisting>
4425 type instance F (a, Int) = [a]
4426 type instance F (Int, b) = [b]   -- overlap permitted
4427
4428 type instance G (a, Int)  = [a]
4429 type instance G (Char, a) = [a]  -- ILLEGAL overlap, as [Char] /= [Int]
4430 </programlisting>
4431       </para>
4432     </sect4>
4433
4434     <sect4 id="type-family-decidability">
4435       <title>Decidability of type synonym instances</title>
4436       <para>
4437         In order to guarantee that type inference in the presence of type
4438         families decidable, we need to place a number of additional
4439         restrictions on the formation of type instance declarations (c.f.,
4440         Definition 5 (Relaxed Conditions) of &ldquo;<ulink 
4441         url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4442           Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;).  Instance
4443           declarations have the general form 
4444 <programlisting>
4445 type instance F t1 .. tn = t
4446 </programlisting>
4447         where we require that for every type family application <literal>(G s1
4448         .. sm)</literal> in <literal>t</literal>,  
4449         <orderedlist>
4450           <listitem>
4451             <para><literal>s1 .. sm</literal> do not contain any type family
4452             constructors,</para>
4453           </listitem>
4454           <listitem>
4455             <para>the total number of symbols (data type constructors and type
4456             variables) in <literal>s1 .. sm</literal> is strictly smaller than
4457             in <literal>t1 .. tn</literal>, and</para> 
4458           </listitem>
4459           <listitem>
4460             <para>for every type
4461             variable <literal>a</literal>, <literal>a</literal> occurs
4462             in <literal>s1 .. sm</literal> at most as often as in <literal>t1
4463             .. tn</literal>.</para>
4464           </listitem>
4465         </orderedlist>
4466         These restrictions are easily verified and ensure termination of type
4467         inference.  However, they are not sufficient to guarantee completeness
4468         of type inference in the presence of, so called, ''loopy equalities'',
4469         such as <literal>a ~ [F a]</literal>, where a recursive occurrence of
4470         a type variable is underneath a family application and data
4471         constructor application - see the above mentioned paper for details.   
4472       </para>
4473       <para>
4474         If the option <option>-XUndecidableInstances</option> is passed to the
4475         compiler, the above restrictions are not enforced and it is on the
4476         programmer to ensure termination of the normalisation of type families
4477         during type inference. 
4478       </para>
4479     </sect4>
4480   </sect3>
4481
4482   <sect3 id-="equality-constraints">
4483     <title>Equality constraints</title>
4484     <para>
4485       Type context can include equality constraints of the form <literal>t1 ~
4486       t2</literal>, which denote that the types <literal>t1</literal>
4487       and <literal>t2</literal> need to be the same.  In the presence of type
4488       families, whether two types are equal cannot generally be decided
4489       locally.  Hence, the contexts of function signatures may include
4490       equality constraints, as in the following example: 
4491 <programlisting>
4492 sumCollects :: (Collects c1, Collects c2, Elem c1 ~ Elem c2) => c1 -> c2 -> c2
4493 </programlisting>
4494       where we require that the element type of <literal>c1</literal>
4495       and <literal>c2</literal> are the same.  In general, the
4496       types <literal>t1</literal> and <literal>t2</literal> of an equality
4497       constraint may be arbitrary monotypes; i.e., they may not contain any
4498       quantifiers, independent of whether higher-rank types are otherwise
4499       enabled. 
4500     </para>
4501     <para>
4502       Equality constraints can also appear in class and instance contexts.
4503       The former enable a simple translation of programs using functional
4504       dependencies into programs using family synonyms instead.  The general
4505       idea is to rewrite a class declaration of the form 
4506 <programlisting>
4507 class C a b | a -> b
4508 </programlisting>
4509       to
4510 <programlisting>
4511 class (F a ~ b) => C a b where
4512   type F a
4513 </programlisting>
4514       That is, we represent every functional dependency (FD) <literal>a1 .. an
4515       -> b</literal> by an FD type family <literal>F a1 .. an</literal> and a
4516       superclass context equality <literal>F a1 .. an ~ b</literal>,
4517       essentially giving a name to the functional dependency.  In class
4518       instances, we define the type instances of FD families in accordance
4519       with the class head.  Method signatures are not affected by that
4520       process. 
4521     </para>
4522     <para>
4523       NB: Equalities in superclass contexts are not fully implemented in
4524       GHC 6.10. 
4525     </para>
4526   </sect3>
4527
4528   <sect3 id-="ty-fams-in-instances">
4529     <title>Type families and instance declarations</title>
4530     <para>Type families require us to extend the rules for 
4531       the form of instance heads, which are given 
4532       in <xref linkend="flexible-instance-head"/>.
4533       Specifically:
4534 <itemizedlist>
4535  <listitem><para>Data type families may appear in an instance head</para></listitem>
4536  <listitem><para>Type synonym families may not appear (at all) in an instance head</para></listitem>
4537 </itemizedlist>
4538 The reason for the latter restriction is that there is no way to check for. Consider
4539 <programlisting>
4540    type family F a
4541    type instance F Bool = Int
4542
4543    class C a
4544
4545    instance C Int
4546    instance C (F a)
4547 </programlisting>
4548 Now a constraint <literal>(C (F Bool))</literal> would match both instances.
4549 The situation is especially bad because the type instance for <literal>F Bool</literal>
4550 might be in another module, or even in a module that is not yet written.
4551 </para>
4552 </sect3>
4553 </sect2>
4554
4555 </sect1>
4556
4557 <sect1 id="other-type-extensions">
4558 <title>Other type system extensions</title>
4559
4560 <sect2 id="type-restrictions">
4561 <title>Type signatures</title>
4562
4563 <sect3 id="flexible-contexts"><title>The context of a type signature</title>
4564 <para>
4565 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag lifts the Haskell 98 restriction
4566 that the type-class constraints in a type signature must have the 
4567 form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
4568 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>. 
4569 With <option>-XFlexibleContexts</option>
4570 these type signatures are perfectly OK
4571 <programlisting>
4572   g :: Eq [a] => ...
4573   g :: Ord (T a ()) => ...
4574 </programlisting>
4575 </para>
4576 <para>
4577 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
4578 Consider the type:
4579
4580 <programlisting>
4581   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
4582 </programlisting>
4583
4584 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
4585 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
4586 explicit source-language type signature are universally quantified,
4587 except for the class type variables in a class declaration.  However,
4588 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
4589 </para>
4590
4591 <para>
4592
4593 <orderedlist>
4594 <listitem>
4595
4596 <para>
4597  <emphasis>Each universally quantified type variable
4598 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
4599
4600 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it appears
4601 in the same constraint as either a type variable free in
4602 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
4603 A value with a type that does not obey 
4604 this reachability restriction cannot be used without introducing
4605 ambiguity; that is why the type is rejected.
4606 Here, for example, is an illegal type:
4607
4608
4609 <programlisting>
4610   forall a. Eq a => Int
4611 </programlisting>
4612
4613
4614 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
4615 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
4616 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
4617 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
4618 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
4619 get any more information about <literal>tv</literal>.
4620 </para>
4621 <para>
4622 Note
4623 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
4624 functionally dependent on a type variable free in
4625 <literal>type</literal> (see <xref
4626 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
4627 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
4628 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
4629 For example, consider:
4630 <programlisting>
4631   class C a b | a -> b where ...
4632   class C a b => D a b where ...
4633   f :: forall a b. D a b => a -> a
4634 </programlisting>
4635 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
4636 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
4637 </para>
4638 </listitem>
4639 <listitem>
4640
4641 <para>
4642  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
4643 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
4644
4645 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
4646 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
4647
4648
4649 <programlisting>
4650   forall a. C a b => burble
4651 </programlisting>
4652
4653
4654 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
4655 mention <literal>a</literal>:
4656
4657
4658 <programlisting>
4659   forall a. Eq b => burble
4660 </programlisting>
4661
4662
4663 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
4664 excluded types are never useful or necessary (because the offending
4665 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
4666 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
4667 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
4668 territory free in case we need it later.
4669
4670 </para>
4671 </listitem>
4672
4673 </orderedlist>
4674
4675 </para>
4676 </sect3>
4677
4678
4679
4680 </sect2>
4681
4682 <sect2 id="implicit-parameters">
4683 <title>Implicit parameters</title>
4684
4685 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
4686 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
4687 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
4688 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
4689 Boston, Jan 2000.
4690 </para>
4691
4692 <para>(Most of the following, still rather incomplete, documentation is
4693 due to Jeff Lewis.)</para>
4694
4695 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
4696 <option>-XImplicitParams</option>.</para>
4697
4698 <para>
4699 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
4700 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
4701 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
4702 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
4703 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
4704 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
4705 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
4706 only support static scoping of variables.
4707 </para>
4708 <para>
4709 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
4710 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
4711 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
4712 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
4713 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
4714 of type <literal>t'</literal>". For
4715 example, the following expresses the type of a sort function,
4716 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
4717 <programlisting>
4718   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4719 </programlisting>
4720 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
4721 </para>
4722 <para>
4723 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
4724 where <literal>x</literal> is
4725 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
4726 Use of this construct also introduces a new
4727 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
4728 For example, the following definition
4729 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
4730 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
4731 <programlisting>
4732   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
4733
4734   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4735   sort    = sortBy ?cmp
4736 </programlisting>
4737 </para>
4738
4739 <sect3>
4740 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
4741 <para>
4742 Dynamic binding constraints behave just like other type class
4743 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
4744 function is used, its implicit parameters are inherited by the
4745 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
4746 to pick out the least value in a list:
4747 <programlisting>
4748   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
4749   least xs = head (sort xs)
4750 </programlisting>
4751 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
4752 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
4753 parameters, the default is that parameters must always be explicit
4754 propagated. With implicit parameters, the default is to always
4755 propagate them.
4756 </para>
4757 <para>
4758 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
4759 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
4760 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
4761 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
4762 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
4763 class constraints.
4764 </para>
4765
4766 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
4767 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
4768 <programlisting>
4769   class (?x::Int) => C a where ...
4770   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
4771 </programlisting>
4772 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
4773 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
4774 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
4775 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
4776 <para>
4777 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
4778 <programlisting>
4779    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
4780    f n = n + length ?x
4781
4782    g :: (Read a, Show a) => String -> String
4783    g s = show (read s)
4784 </programlisting>
4785 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
4786 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
4787 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
4788 </para>
4789 </sect3>
4790
4791 <sect3>
4792 <title>Implicit-parameter bindings</title>
4793
4794 <para>
4795 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
4796 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
4797 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
4798 <literal>cmp</literal>.
4799 <programlisting>
4800   min :: [a] -> a
4801   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
4802 </programlisting>
4803 </para>
4804 <para>
4805 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
4806 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
4807 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
4808 or a <literal>where</literal> clause.
4809 Note the following points:
4810 <itemizedlist>
4811 <listitem><para>
4812 An implicit-parameter binding group must be a
4813 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
4814 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
4815 neither polymorphic or recursive.  
4816 </para></listitem>
4817 <listitem><para>
4818 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
4819 single <literal>let</literal>
4820 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
4821 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
4822 </para></listitem>
4823
4824 <listitem><para>
4825 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
4826 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
4827 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
4828 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
4829 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
4830 the meaning of the program.
4831 For example, consider:
4832 <programlisting>
4833   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
4834 </programlisting>
4835 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
4836 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
4837 <programlisting>
4838   f :: (?x::Int) => Int -> Int
4839 </programlisting>
4840 </para></listitem>
4841 </itemizedlist>
4842 </para>
4843
4844 </sect3>
4845
4846 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
4847
4848 <para>
4849 Consider these two definitions:
4850 <programlisting>
4851   len1 :: [a] -> Int
4852   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
4853
4854   len_acc1 [] = ?acc
4855   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
4856
4857   ------------
4858
4859   len2 :: [a] -> Int
4860   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
4861
4862   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
4863   len_acc2 [] = ?acc
4864   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
4865 </programlisting>
4866 The only difference between the two groups is that in the second group
4867 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
4868 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
4869 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
4870 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
4871 has a type signature, the recursive call is made to the
4872 <emphasis>polymorphic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
4873 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
4874 <programlisting>
4875   Prog> len1 "hello"
4876   0
4877   Prog> len2 "hello"
4878   5
4879 </programlisting>
4880 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
4881 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
4882 </para>
4883 </sect3>
4884
4885 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
4886
4887 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
4888 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
4889 <programlisting>
4890  f :: Int -> Int
4891   f v = let ?x = 0     in
4892         let y = ?x + v in
4893         let ?x = 5     in
4894         y
4895 </programlisting>
4896 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
4897 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
4898 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
4899 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
4900 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
4901 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
4902 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
4903 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
4904 <literal>14</literal>.
4905 </para>
4906 </sect3>
4907 </sect2>
4908
4909     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
4910
4911     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
4912     them from the 6.6 user manual
4913
4914 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
4915 <title>Linear implicit parameters</title>
4916 <para>
4917 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
4918 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
4919 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
4920 </para>
4921 <itemizedlist>
4922 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
4923 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
4924 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
4925 </itemizedlist>
4926
4927 <para>
4928 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
4929 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
4930 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
4931 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
4932 (The '/' in the '%' suggests the split!)
4933 </para>
4934 <para>
4935 For example:
4936 <programlisting>
4937     import GHC.Exts( Splittable )
4938
4939     data NameSupply = ...
4940     
4941     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
4942     newName :: NameSupply -> Name
4943
4944     instance Splittable NameSupply where
4945         split = splitNS
4946
4947
4948     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
4949     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
4950                     where
4951                       x'   = newName %ns
4952                       env' = extend env x x'
4953     ...more equations for f...
4954 </programlisting>
4955 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
4956 <itemizedlist>
4957 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
4958 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
4959 </itemizedlist>
4960 </para>
4961 <para>
4962 So the translation done by the type checker makes
4963 the parameter explicit:
4964 <programlisting>
4965     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
4966     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
4967                        where
4968                          (ns1,ns2) = splitNS ns
4969                          x' = newName ns2
4970                          env = extend env x x'
4971 </programlisting>
4972 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
4973 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
4974 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
4975 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
4976 <programlisting>
4977         class Splittable a where
4978           split :: a -> (a,a)
4979 </programlisting>
4980 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
4981 split for name supplies.  But we can simply write
4982 <programlisting>
4983         g x = (x, %ns, %ns)
4984 </programlisting>
4985 and GHC will infer
4986 <programlisting>
4987         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
4988 </programlisting>
4989 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
4990 <literal>GHC.Exts</literal>.
4991 </para>
4992 <para>
4993 Other points:
4994 <itemizedlist>
4995 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
4996 are entirely distinct implicit parameters: you 
4997   can use them together and they won't interfere with each other. </para>
4998 </listitem>
4999
5000 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
5001
5002 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
5003   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
5004 </itemizedlist>
5005 </para>
5006
5007 <sect3><title>Warnings</title>
5008
5009 <para>
5010 The monomorphism restriction is even more important than usual.
5011 Consider the example above:
5012 <programlisting>
5013     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5014     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5015                     where
5016                       x'   = newName %ns
5017                       env' = extend env x x'
5018 </programlisting>
5019 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
5020 usually a harmless thing to do, we get:
5021 <programlisting>
5022     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5023     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
5024                     where
5025                       env' = extend env x (newName %ns)
5026 </programlisting>
5027 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
5028 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
5029 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
5030 the beta rule.
5031 </para>
5032 <para>
5033 Well, this is an experimental change.  With implicit
5034 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
5035 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
5036 Haskell programs without knowing their typing.
5037 </para>
5038
5039 </sect3>
5040
5041 <sect3><title>Recursive functions</title>
5042 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
5043 Consider
5044 <programlisting>
5045         foo :: %x::T => Int -> [Int]
5046         foo 0 = []
5047         foo n = %x : foo (n-1)
5048 </programlisting>
5049 where T is some type in class Splittable.</para>
5050 <para>
5051 Do you get a list of all the same T's or all different T's
5052 (assuming that split gives two distinct T's back)?
5053 </para><para>
5054 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
5055 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
5056 translated term, where the implicit param is made explicit:
5057 <programlisting>
5058         foo x 0 = []
5059         foo x n = let (x1,x2) = split x
5060                   in x1 : foo x2 (n-1)
5061 </programlisting>
5062 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
5063 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
5064 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
5065 work.  So the translation becomes
5066 <programlisting>
5067         foo x = let
5068                   foom 0 = []
5069                   foom n = x : foom (n-1)
5070                 in
5071                 foom
5072 </programlisting>
5073 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
5074 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
5075 Yikes!
5076 </para><para>
5077 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
5078 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
5079 </para>
5080 </sect3>
5081
5082 </sect2>
5083
5084 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
5085
5086 <sect2 id="kinding">
5087 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
5088
5089 <para>
5090 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
5091 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
5092 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
5093 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
5094 John Hughes had to define the data type:
5095 <screen>
5096      data Set cxt a = Set [a]
5097                     | Unused (cxt a -> ())
5098 </screen>
5099 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
5100 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
5101 </para>
5102 <para>
5103 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
5104 a type variable is explicitly bound, with the flag <option>-XKindSignatures</option>.
5105 </para>
5106 <para>
5107 This flag enables kind signatures in the following places:
5108 <itemizedlist>
5109 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
5110 <screen>
5111   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
5112 </screen></para></listitem>
5113 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
5114 <screen>
5115   type T (f :: * -> *) = f Int
5116 </screen></para></listitem>
5117 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
5118 <screen>
5119   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
5120 </screen></para></listitem>
5121 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
5122 <screen>
5123   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
5124 </screen></para></listitem>
5125 </itemizedlist>
5126 </para>
5127
5128 <para>
5129 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
5130 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
5131 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
5132 single lexeme in Haskell.
5133 </para>
5134
5135 <para>
5136 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
5137 as well.  Thus:
5138 <screen>
5139    f :: (Int :: *) -> Int
5140    g :: forall a. a -> (a :: *)
5141 </screen>
5142 The syntax is
5143 <screen>
5144    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
5145 </screen>
5146 The parentheses are required.
5147 </para>
5148 </sect2>
5149
5150
5151 <sect2 id="universal-quantification">
5152 <title>Arbitrary-rank polymorphism
5153 </title>
5154
5155 <para>
5156 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
5157 allows us to say exactly what this means.  For example:
5158 </para>
5159 <para>
5160 <programlisting>
5161         g :: b -> b
5162 </programlisting>
5163 means this:
5164 <programlisting>
5165         g :: forall b. (b -> b)
5166 </programlisting>
5167 The two are treated identically.
5168 </para>
5169
5170 <para>
5171 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
5172 explicit universal quantification in
5173 types. 
5174 For example, all the following types are legal:
5175 <programlisting>
5176     f1 :: forall a b. a -> b -> a
5177     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
5178
5179     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
5180     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
5181
5182     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
5183
5184     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
5185 </programlisting>
5186 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
5187 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
5188 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
5189 is implicitly added by Haskell.
5190 </para>
5191 <para>
5192 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
5193 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
5194 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
5195 </para>
5196 <para>
5197 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
5198 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
5199 </para>
5200 <para>
5201 GHC has three flags to control higher-rank types:
5202 <itemizedlist>
5203 <listitem><para>
5204  <option>-XPolymorphicComponents</option>: data constructors (only) can have polymorphic argument types.
5205 </para></listitem>
5206 <listitem><para>
5207  <option>-XRank2Types</option>: any function (including data constructors) can have a rank-2 type.
5208 </para></listitem>
5209 <listitem><para>
5210  <option>-XRankNTypes</option>: any function (including data constructors) can have an arbitrary-rank type.
5211 That is,  you can nest <literal>forall</literal>s
5212 arbitrarily deep in function arrows.
5213 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
5214 including an operational type class context, is legal:
5215 <itemizedlist>
5216 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
5217 of a function arrow </para> </listitem>
5218 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
5219 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
5220 field type signatures.</para> </listitem>
5221 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
5222 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
5223 </itemizedlist>
5224 </para></listitem>
5225 </itemizedlist>
5226 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
5227 a type variable any more!
5228 </para>
5229
5230
5231 <sect3 id="univ">
5232 <title>Examples
5233 </title>
5234
5235 <para>
5236 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
5237 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
5238 </para>
5239
5240 <para>
5241
5242 <programlisting>
5243 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
5244
5245 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
5246                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
5247                         }
5248
5249 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
5250 </programlisting>
5251
5252 </para>
5253
5254 <para>
5255 The constructors have rank-2 types:
5256 </para>
5257
5258 <para>
5259
5260 <programlisting>
5261 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
5262 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
5263                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
5264                   -> MonadT m
5265 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
5266 </programlisting>
5267
5268 </para>
5269
5270 <para>
5271 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
5272 explicit context.  For example in the first argument of the
5273 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
5274 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
5275 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
5276 mentioned in the type quantified over.
5277 </para>
5278
5279 <para>
5280 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
5281 types too.  So if you write this:
5282
5283 <programlisting>
5284   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
5285 </programlisting>
5286
5287 it's just as if you had written this:
5288
5289 <programlisting>
5290   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
5291 </programlisting>
5292
5293 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
5294 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
5295 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
5296 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
5297 </para>
5298
5299 <para>
5300 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
5301 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
5302 </para>
5303
5304 <para>
5305
5306 <programlisting>
5307     a1 :: T Int
5308     a1 = T1 (\xy->x) 3
5309     
5310     a2, a3 :: Swizzle
5311     a2 = MkSwizzle sort
5312     a3 = MkSwizzle reverse
5313     
5314     a4 :: MonadT Maybe
5315     a4 = let r x = Just x
5316              b m k = case m of
5317                        Just y -> k y
5318                        Nothing -> Nothing
5319          in
5320          MkMonad r b
5321
5322     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
5323     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
5324 </programlisting>
5325
5326 </para>
5327
5328 <para>
5329 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
5330 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
5331 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
5332 </para>
5333
5334 <para>
5335 When you use pattern matching, the bound variables may now have
5336 polymorphic types.  For example:
5337 </para>
5338
5339 <para>
5340
5341 <programlisting>
5342     f :: T a -> a -> (a, Char)
5343     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5344
5345     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
5346     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
5347
5348     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
5349     h m [] = return m []
5350     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
5351                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
5352                  return m (y:ys)
5353 </programlisting>
5354
5355 </para>
5356
5357 <para>
5358 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
5359 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
5360 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
5361 matching.
5362 </para>
5363 </sect3>
5364
5365 <sect3>
5366 <title>Type inference</title>
5367
5368 <para>
5369 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
5370 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
5371 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
5372 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
5373 </para>
5374 <para>
5375 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
5376 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
5377 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
5378 </para>
5379 <para>
5380 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
5381 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
5382 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
5383 <programlisting>
5384      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
5385 </programlisting>
5386 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
5387 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
5388 <programlisting>
5389      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5390 </programlisting>
5391 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
5392 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
5393 one can give a type signature for the function itself:
5394 <programlisting>
5395      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5396      h f = (f True, f 'c')
5397 </programlisting>
5398 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
5399 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
5400 <programlisting>
5401     f :: T a -> a -> (a, Char)
5402     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5403 </programlisting>
5404 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
5405 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
5406 it needs to know.
5407 </para>
5408
5409 </sect3>
5410
5411
5412 <sect3 id="implicit-quant">
5413 <title>Implicit quantification</title>
5414
5415 <para>
5416 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
5417 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
5418 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
5419 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
5420 equivalent:
5421 <programlisting>
5422   f :: a -> a
5423   f :: forall a. a -> a
5424
5425   g (x::a) = let
5426                 h :: a -> b -> b
5427                 h x y = y
5428              in ...
5429   g (x::a) = let
5430                 h :: forall b. a -> b -> b
5431                 h x y = y
5432              in ...
5433 </programlisting>
5434 </para>
5435 <para>
5436 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
5437 point.  For example:
5438 <programlisting>
5439   f :: (a -> a) -> Int
5440            -- MEANS
5441   f :: forall a. (a -> a) -> Int
5442            -- NOT
5443   f :: (forall a. a -> a) -> Int
5444
5445
5446   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
5447            -- MEANS the illegal type
5448   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
5449            -- NOT
5450   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
5451 </programlisting>
5452 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
5453 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
5454 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
5455 for rank-2 types.
5456 </para>
5457 </sect3>
5458 </sect2>
5459
5460
5461 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
5462 <title>Impredicative polymorphism
5463 </title>
5464 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>, 
5465 enabled with <option>-XImpredicativeTypes</option>.  
5466 This means
5467 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
5468 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
5469 <programlisting>
5470   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
5471   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
5472   f Nothing  = Nothing
5473 </programlisting>
5474 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
5475 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
5476 [a])</literal>.
5477 </para>
5478 <para>The technical details of this extension are described in the paper
5479 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy/">Boxy types:
5480 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
5481 which appeared at ICFP 2006.  
5482 </para>
5483 </sect2>
5484
5485 <sect2 id="scoped-type-variables">
5486 <title>Lexically scoped type variables
5487 </title>
5488
5489 <para>
5490 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
5491 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
5492 <programlisting>
5493 f :: forall a. [a] -> [a]
5494 f xs = ys ++ ys
5495      where
5496        ys :: [a]
5497        ys = reverse xs
5498 </programlisting>
5499 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope,
5500 because of the explicit <literal>forall</literal> (<xref linkend="decl-type-sigs"/>).
5501 The type variables bound by a <literal>forall</literal> scope over
5502 the entire definition of the accompanying value declaration.
5503 In this example, the type variable <literal>a</literal> scopes over the whole 
5504 definition of <literal>f</literal>, including over
5505 the type signature for <varname>ys</varname>. 
5506 In Haskell 98 it is not possible to declare
5507 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
5508 it becomes possible to do so.
5509 </para>
5510 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
5511 <option>-XScopedTypeVariables</option>.  This flag implies <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
5512 </para>
5513 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
5514 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
5515 carefully!</para>
5516
5517 <sect3>
5518 <title>Overview</title>
5519
5520 <para>The design follows the following principles
5521 <itemizedlist>
5522 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
5523 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
5524 design.)</para></listitem>
5525 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
5526 type variables.  This means that every programmer-written type signature
5527 (including one that contains free scoped type variables) denotes a
5528 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
5529 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
5530 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
5531 changing the program.</para></listitem>
5532 </itemizedlist>
5533 </para>
5534 <para>
5535 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
5536 <itemizedlist>
5537 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
5538 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
5539 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
5540 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
5541 </itemizedlist>
5542 </para>
5543 <para>
5544 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantified over
5545 its free type variables (<ulink
5546 url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
5547 4.1.2</ulink> 
5548 of the Haskell Report).
5549 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
5550 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
5551 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
5552 then
5553 <programlisting>
5554   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
5555   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
5556   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
5557 </programlisting>
5558 </para>
5559
5560
5561 </sect3>
5562
5563
5564 <sect3 id="decl-type-sigs">
5565 <title>Declaration type signatures</title>
5566 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5567 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5568 explicitly-quantified
5569 type variables, in the definition of the named function.  For example:
5570 <programlisting>
5571   f :: forall a. [a] -> [a]
5572   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5573 </programlisting>
5574 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
5575 the definition of "<literal>f</literal>".
5576 </para>
5577 <para>This only happens if:
5578 <itemizedlist>
5579 <listitem><para> The quantification in <literal>f</literal>'s type
5580 signature is explicit.  For example:
5581 <programlisting>
5582   g :: [a] -> [a]
5583   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5584 </programlisting>
5585 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
5586 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
5587 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
5588 quantification rules.
5589 </para></listitem>
5590 <listitem><para> The signature gives a type for a function binding or a bare variable binding, 
5591 not a pattern binding.
5592 For example:
5593 <programlisting>
5594   f1 :: forall a. [a] -> [a]
5595   f1 (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5596
5597   f2 :: forall a. [a] -> [a]
5598   f2 = \(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5599
5600   f3 :: forall a. [a] -> [a] 
5601   Just f3 = Just (\(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ])   -- Not OK!
5602 </programlisting>
5603 The binding for <literal>f3</literal> is a pattern binding, and so its type signature
5604 does not bring <literal>a</literal> into scope.   However <literal>f1</literal> is a
5605 function binding, and <literal>f2</literal> binds a bare variable; in both cases
5606 the type signature brings <literal>a</literal> into scope.
5607 </para></listitem>
5608 </itemizedlist>
5609 </para>
5610 </sect3>
5611
5612 <sect3 id="exp-type-sigs">
5613 <title>Expression type signatures</title>
5614
5615 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5616 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5617 explicitly-quantified
5618 type variables, in the annotated expression.  For example:
5619 <programlisting>
5620   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
5621 </programlisting>
5622 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
5623 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
5624 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
5625 </para>
5626
5627 </sect3>
5628
5629 <sect3 id="pattern-type-sigs">
5630 <title>Pattern type signatures</title>
5631 <para>
5632 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
5633 signature</emphasis>. 
5634 For example:
5635 <programlisting>
5636   -- f and g assume that 'a' is already in scope
5637   f = \(x::Int, y::a) -> x
5638   g (x::a) = x
5639   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
5640 </programlisting>
5641 In the case where all the type variables in the pattern type signature are
5642 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
5643 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
5644 </para>
5645 <para>
5646 Unlike expression and declaration type signatures, pattern type signatures are not implicitly generalised.
5647 The pattern in a <emphasis>pattern binding</emphasis> may only mention type variables
5648 that are already in scope.  For example:
5649 <programlisting>
5650   f :: forall a. [a] -> (Int, [a])
5651   f xs = (n, zs)
5652     where
5653       (ys::[a], n) = (reverse xs, length xs) -- OK
5654       zs::[a] = xs ++ ys                     -- OK
5655
5656       Just (v::b) = ...  -- Not OK; b is not in scope
5657 </programlisting>
5658 Here, the pattern signatures for <literal>ys</literal> and <literal>zs</literal>
5659 are fine, but the one for <literal>v</literal> is not because <literal>b</literal> is
5660 not in scope. 
5661 </para>
5662 <para>
5663 However, in all patterns <emphasis>other</emphasis> than pattern bindings, a pattern
5664 type signature may mention a type variable that is not in scope; in this case,
5665 <emphasis>the signature brings that type variable into scope</emphasis>.
5666 This is particularly important for existential data constructors.  For example:
5667 <programlisting>
5668   data T = forall a. MkT [a]
5669
5670   k :: T -> T
5671   k (MkT [t::a]) = MkT t3
5672                  where
5673                    t3::[a] = [t,t,t]
5674 </programlisting>
5675 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
5676 variable that is not already in scope.  Indeed, it <emphasis>cannot</emphasis> already be in scope,
5677 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
5678 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
5679 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
5680 existentially-bound type variable.
5681 </para>
5682 <para>
5683 When a pattern type signature binds a type variable in this way, GHC insists that the 
5684 type variable is bound to a <emphasis>rigid</emphasis>, or fully-known, type variable.
5685 This means that any user-written type signature always stands for a completely known type.
5686 </para>
5687 <para>
5688 If all this seems a little odd, we think so too.  But we must have
5689 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
5690 could not name existentially-bound type variables in subsequent type signatures.
5691 </para>
5692 <para>
5693 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
5694 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
5695 scope.
5696 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
5697 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
5698 </para>
5699
5700
5701 </sect3>
5702
5703 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
5704
5705 <sect3 id="result-type-sigs">
5706 <title>Result type signatures</title>
5707
5708 <para>
5709 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
5710
5711 <programlisting>
5712   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5713   f x y :: [a] = [x,y,x]
5714
5715   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
5716
5717   h :: forall a. [a] -> a
5718   h xs = case xs of
5719             (y:ys) :: a -> y
5720 </programlisting>
5721 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
5722 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
5723 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
5724 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
5725 </para>
5726 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
5727 <para>
5728 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
5729 examples would parse quite differently with parentheses:
5730 <programlisting>
5731   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5732   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
5733
5734   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
5735
5736   h :: forall a. [a] -> a
5737   h xs = case xs of
5738             ((y:ys) :: a) -> y
5739 </programlisting>
5740 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
5741 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
5742 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
5743
5744 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
5745 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
5746 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
5747 consider how one would parse this:
5748 <programlisting>
5749   \ x :: a -> b -> x
5750 </programlisting>
5751 </para>
5752 </sect3>
5753
5754  -->
5755
5756 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
5757 <title>Class and instance declarations</title>
5758 <para>
5759
5760 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
5761 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
5762
5763
5764 <programlisting>
5765   class C a where
5766     op :: [a] -> a
5767
5768     op xs = let ys::[a]
5769                 ys = reverse xs
5770             in
5771             head ys
5772 </programlisting>
5773 </para>
5774 </sect3>
5775
5776 </sect2>
5777
5778
5779 <sect2 id="typing-binds">
5780 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
5781
5782 <para>
5783 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
5784 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
5785 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
5786 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
5787 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
5788 As each group is type-checked, any binders of the group that
5789 have
5790 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
5791 polymorphic type,
5792 and all others are monomorphic until the group is generalised 
5793 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
5794 </para>
5795
5796 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
5797 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/424440.html">Typing Haskell in
5798 Haskell</ulink>,
5799 GHC implements a more general scheme.  If <option>-XRelaxedPolyRec</option> is
5800 specified:
5801 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
5802 type signature</emphasis>.
5803 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
5804 typecheck.  For example, consider:
5805 <programlisting>
5806   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
5807   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
5808   
5809   g y = (y &lt;= y) || f True
5810 </programlisting>
5811 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
5812 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
5813 <literal>f</literal>,
5814 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
5815 hand side is ignored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
5816 type is generalised, to get
5817 <programlisting>
5818   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
5819 </programlisting>
5820 Now, the definition for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
5821 <literal>g</literal> in the type environment.
5822 </para>
5823
5824 <para>
5825 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
5826 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
5827 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
5828 <option>-XRelaxedPolyRec</option>
5829 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
5830 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
5831 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
5832 <programlisting>
5833   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
5834   f x = (x == x) || g True
5835   
5836   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
5837   g y = (y &lt;= y) || f True
5838 </programlisting>
5839 </para>
5840 </sect2>
5841
5842 </sect1>
5843 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
5844   
5845 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
5846
5847 <sect1 id="template-haskell">
5848 <title>Template Haskell</title>
5849
5850 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
5851 Haskell.  
5852 The background to
5853 the main technical innovations is discussed in "<ulink
5854 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/">
5855 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
5856 </para>
5857 <para>
5858 There is a Wiki page about
5859 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
5860 http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell</ulink>, and that is the best place to look for
5861 further details.
5862 You may also 
5863 consult the <ulink
5864 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
5865 Haskell library reference material</ulink> 
5866 (look for module <literal>Language.Haskell.TH</literal>).
5867 Many changes to the original design are described in 
5868       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/notes2.ps">
5869 Notes on Template Haskell version 2</ulink>.
5870 Not all of these changes are in GHC, however.
5871 </para>
5872
5873 <para> The first example from that paper is set out below (<xref linkend="th-example"/>) 
5874 as a worked example to help get you started. 
5875 </para>
5876
5877 <para>
5878 The documentation here describes the realisation of Template Haskell in GHC.  It is not detailed enough to 
5879 understand Template Haskell; see the <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
5880 Wiki page</ulink>.
5881 </para>
5882
5883     <sect2>
5884       <title>Syntax</title>
5885
5886       <para> Template Haskell has the following new syntactic
5887       constructions.  You need to use the flag
5888       <option>-XTemplateHaskell</option>
5889         <indexterm><primary><option>-XTemplateHaskell</option></primary>
5890       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
5891       (<option>-XTemplateHaskell</option> is no longer implied by
5892       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
5893
5894         <itemizedlist>
5895               <listitem><para>
5896                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
5897                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
5898                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
5899                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
5900                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
5901                   </para>
5902               <para> A splice can occur in place of 
5903                   <itemizedlist>
5904                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
5905                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
5906                     <listitem><para> an type; the spliced expression must
5907                     have type <literal>Q Typ</literal></para></listitem>
5908                     <listitem><para> a list of top-level declarations; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
5909                     </itemizedlist>
5910                 </para>
5911             Inside a splice you can can only call functions defined in imported modules,
5912         not functions defined elsewhere in the same module.</listitem>
5913
5914
5915               <listitem><para>
5916                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
5917                   <itemizedlist>
5918                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
5919                              the quotation has type <literal>Q Exp</literal>.</para></listitem>
5920                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
5921                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
5922                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;
5923                              the quotation has type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
5924                   </itemizedlist></para></listitem>
5925
5926               <listitem><para>
5927                   A quasi-quotation can appear in either a pattern context or an
5928                   expression context and is also written in Oxford brackets:
5929                   <itemizedlist>
5930                     <listitem><para> <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>| ... |]</literal>,
5931                         where the "..." is an arbitrary string; a full description of the
5932                         quasi-quotation facility is given in <xref linkend="th-quasiquotation"/>.</para></listitem>
5933                   </itemizedlist></para></listitem>
5934
5935               <listitem><para>
5936                   A name can be quoted with either one or two prefix single quotes:
5937                   <itemizedlist>
5938                     <listitem><para> <literal>'f</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the function <literal>f</literal>.
5939                   Similarly <literal>'C</literal> has type <literal>Name</literal> and names the data constructor <literal>C</literal>.
5940                   In general <literal>'</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in an expression context.
5941                      </para></listitem> 
5942                     <listitem><para> <literal>''T</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the type constructor  <literal>T</literal>.
5943                   That is, <literal>''</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in a type context.
5944                      </para></listitem> 
5945                   </itemizedlist>
5946                   These <literal>Names</literal> can be used to construct Template Haskell expressions, patterns, declarations etc.  They
5947                   may also be given as an argument to the <literal>reify</literal> function.
5948                  </para>
5949                 </listitem>
5950
5951                   
5952         </itemizedlist>
5953 (Compared to the original paper, there are many differences of detail.
5954 The syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>".
5955 The type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>.
5956 Pattern splices and quotations are not implemented.)
5957
5958 </sect2>
5959
5960 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
5961 <para>
5962 <itemizedlist>
5963     <listitem><para>
5964     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
5965     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
5966     </para></listitem>
5967
5968     <listitem><para>
5969     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
5970             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
5971             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
5972    </para></listitem>
5973
5974    <listitem><para>
5975    You can only run a function at compile time if it is imported
5976    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
5977    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  Furthermore, all of the modules of 
5978    the mutually-recursive group must be reachable by non-SOURCE imports from the module where the
5979    splice is to be run.</para>
5980    <para>
5981    For example, when compiling module A,
5982    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
5983    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
5984    </para></listitem>
5985
5986     <listitem><para>
5987             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
5988    </para></listitem>
5989     <listitem><para>
5990             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
5991               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
5992               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
5993               the program it compiles produces results whose representations are identical to
5994               those of the compiler itself.
5995    </para></listitem>
5996 </itemizedlist>
5997 </para>
5998 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
5999         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
6000         has been lifted.
6001 </para>
6002 </sect2>
6003  
6004 <sect2 id="th-example">  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
6005 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
6006   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
6007
6008 <programlisting>
6009
6010 {- Main.hs -}
6011 module Main where
6012
6013 -- Import our template "pr"
6014 import Printf ( pr )
6015
6016 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
6017 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
6018 -- the argument of "putStrLn".
6019 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
6020
6021
6022 {- Printf.hs -}
6023 module Printf where
6024
6025 -- Skeletal printf from the paper.
6026 -- It needs to be in a separate module to the one where
6027 -- you intend to use it.
6028
6029 -- Import some Template Haskell syntax
6030 import Language.Haskell.TH
6031
6032 -- Describe a format string
6033 data Format = D | S | L String
6034
6035 -- Parse a format string.  This is left largely to you
6036 -- as we are here interested in building our first ever
6037 -- Template Haskell program and not in building printf.
6038 parse :: String -> [Format]
6039 parse s   = [ L s ]
6040
6041 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
6042 -- of the format string.  This code will be spliced into
6043 -- the module which calls "pr", at compile time.
6044 gen :: [Format] -> Q Exp
6045 gen [D]   = [| \n -> show n |]
6046 gen [S]   = [| \s -> s |]
6047 gen [L s] = stringE s
6048
6049 -- Here we generate the Haskell code for the splice
6050 -- from an input format string.
6051 pr :: String -> Q Exp
6052 pr s = gen (parse s)
6053 </programlisting>
6054
6055 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
6056 </para>
6057 <programlisting>
6058 $ ghc --make -XTemplateHaskell main.hs -o main.exe
6059 </programlisting>
6060
6061 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
6062
6063 <programlisting>
6064 $ ./main
6065 Hello
6066 </programlisting>
6067
6068 </sect2>
6069
6070 <sect2>
6071 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
6072 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
6073  
6074 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
6075 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
6076 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
6077 itself is running; this means that the compiled code referred to by
6078 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
6079 in particular this means that object code that is compiled for
6080 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
6081 expression, because profiled object code is only compatible with the
6082 profiling version of the runtime.</para>
6083
6084 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
6085 containing Template Haskell code and you need to compile it for
6086 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
6087 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
6088 The basic idea is to compile the program twice:</para>
6089
6090 <orderedlist>
6091 <listitem>
6092   <para>Compile the program or library first the normal way, without
6093   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
6094 </listitem>
6095 <listitem>
6096   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
6097   additionally use <option>-osuf
6098   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
6099   to name the object files differently (you can choose any suffix
6100   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
6101   load the object files built in the first step when executing splice
6102   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
6103   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
6104   GHC will emit an error message. </para>
6105 </listitem>
6106 </orderedlist>
6107 </sect2>
6108
6109 <sect2 id="th-quasiquotation">  <title> Template Haskell Quasi-quotation </title>
6110 <para>Quasi-quotation allows patterns and expressions to be written using
6111 programmer-defined concrete syntax; the motivation behind the extension and
6112 several examples are documented in
6113 "<ulink url="http://www.eecs.harvard.edu/~mainland/ghc-quasiquoting/">Why It's
6114 Nice to be Quoted: Quasiquoting for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop
6115 2007). The example below shows how to write a quasiquoter for a simple
6116 expression language.</para>
6117
6118 <para>
6119 In the example, the quasiquoter <literal>expr</literal> is bound to a value of
6120 type <literal>Language.Haskell.TH.Quote.QuasiQuoter</literal> which contains two
6121 functions for quoting expressions and patterns, respectively. The first argument
6122 to each quoter is the (arbitrary) string enclosed in the Oxford brackets. The
6123 context of the quasi-quotation statement determines which of the two parsers is
6124 called: if the quasi-quotation occurs in an expression context, the expression
6125 parser is called, and if it occurs in a pattern context, the pattern parser is
6126 called.</para>
6127
6128 <para>
6129 Note that in the example we make use of an antiquoted
6130 variable <literal>n</literal>, indicated by the syntax <literal>'int:n</literal>
6131 (this syntax for anti-quotation was defined by the parser's
6132 author, <emphasis>not</emphasis> by GHC). This binds <literal>n</literal> to the
6133 integer value argument of the constructor <literal>IntExpr</literal> when
6134 pattern matching. Please see the referenced paper for further details regarding
6135 anti-quotation as well as the description of a technique that uses SYB to
6136 leverage a single parser of type <literal>String -> a</literal> to generate both
6137 an expression parser that returns a value of type <literal>Q Exp</literal> and a
6138 pattern parser that returns a value of type <literal>Q Pat</literal>.
6139 </para>
6140
6141 <para>In general, a quasi-quote has the form
6142 <literal>[$<replaceable>quoter</replaceable>| <replaceable>string</replaceable> |]</literal>.
6143 The <replaceable>quoter</replaceable> must be the name of an imported quoter; it
6144 cannot be an arbitrary expression.  The quoted <replaceable>string</replaceable> 
6145 can be arbitrary, and may contain newlines.
6146 </para>
6147 <para>
6148 Quasiquoters must obey the same stage restrictions as Template Haskell, e.g., in
6149 the example, <literal>expr</literal> cannot be defined
6150 in <literal>Main.hs</literal> where it is used, but must be imported.
6151 </para>
6152
6153 <programlisting>
6154
6155 {- Main.hs -}
6156 module Main where
6157
6158 import Expr
6159
6160 main :: IO ()
6161 main = do { print $ eval [$expr|1 + 2|]
6162           ; case IntExpr 1 of
6163               { [$expr|'int:n|] -> print n
6164               ;  _              -> return ()
6165               }
6166           }
6167
6168
6169 {- Expr.hs -}
6170 module Expr where
6171
6172 import qualified Language.Haskell.TH as TH
6173 import Language.Haskell.TH.Quote
6174
6175 data Expr  =  IntExpr Integer
6176            |  AntiIntExpr String
6177            |  BinopExpr BinOp Expr Expr
6178            |  AntiExpr String
6179     deriving(Show, Typeable, Data)
6180
6181 data BinOp  =  AddOp
6182             |  SubOp
6183             |  MulOp
6184             |  DivOp
6185     deriving(Show, Typeable, Data)
6186
6187 eval :: Expr -> Integer
6188 eval (IntExpr n)        = n
6189 eval (BinopExpr op x y) = (opToFun op) (eval x) (eval y)
6190   where
6191     opToFun AddOp = (+)
6192     opToFun SubOp = (-)
6193     opToFun MulOp = (*)
6194     opToFun DivOp = div
6195
6196 expr = QuasiQuoter parseExprExp parseExprPat
6197
6198 -- Parse an Expr, returning its representation as
6199 -- either a Q Exp or a Q Pat. See the referenced paper
6200 -- for how to use SYB to do this by writing a single
6201 -- parser of type String -> Expr instead of two
6202 -- separate parsers.
6203
6204 parseExprExp :: String -> Q Exp
6205 parseExprExp ...
6206
6207 parseExprPat :: String -> Q Pat
6208 parseExprPat ...
6209 </programlisting>
6210
6211 <para>Now run the compiler:
6212 </para>
6213 <programlisting>
6214 $ ghc --make -XQuasiQuotes Main.hs -o main
6215 </programlisting>
6216
6217 <para>Run "main" and here is your output:</para>
6218
6219 <programlisting>
6220 $ ./main
6221 3
6222 1
6223 </programlisting>
6224
6225 </sect2>
6226
6227 </sect1>
6228
6229 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
6230
6231 <sect1 id="arrow-notation">
6232 <title>Arrow notation
6233 </title>
6234
6235 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
6236 For more details, see
6237 <itemizedlist>
6238
6239 <listitem>
6240 <para>
6241 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
6242 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
6243 pp67&ndash;111, May 2000.
6244 The paper that introduced arrows: a friendly introduction, motivated with
6245 programming examples.
6246 </para>
6247 </listitem>
6248
6249 <listitem>
6250 <para>
6251 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
6252 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
6253 Introduced the notation described here.
6254 </para>
6255 </listitem>
6256
6257 <listitem>
6258 <para>
6259 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
6260 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
6261 Palgrave, 2003.
6262 </para>
6263 </listitem>
6264
6265 <listitem>
6266 <para>
6267 &ldquo;<ulink url="http://www.cs.chalmers.se/~rjmh/afp-arrows.pdf">Programming with Arrows</ulink>&rdquo;,
6268 John Hughes, in <citetitle>5th International Summer School on
6269 Advanced Functional Programming</citetitle>,
6270 <citetitle>Lecture Notes in Computer Science</citetitle> vol. 3622,
6271 Springer, 2004.
6272 This paper includes another introduction to the notation,
6273 with practical examples.
6274 </para>
6275 </listitem>
6276
6277 <listitem>
6278 <para>
6279 &ldquo;<ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/papers/arrow-rules.pdf">Type and Translation Rules for Arrow Notation in GHC</ulink>&rdquo;,
6280 Ross Paterson and Simon Peyton Jones, September 16, 2004.
6281 A terse enumeration of the formal rules used
6282 (extracted from comments in the source code).
6283 </para>
6284 </listitem>
6285
6286 <listitem>
6287 <para>
6288 The arrows web page at
6289 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
6290 </para>
6291 </listitem>
6292
6293 </itemizedlist>
6294 With the <option>-XArrows</option> flag, GHC supports the arrow
6295 notation described in the second of these papers,
6296 translating it using combinators from the
6297 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6298 module.
6299 What follows is a brief introduction to the notation;
6300 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
6301 </para>
6302
6303 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
6304 <screen>
6305 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
6306        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6307 </screen>
6308 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
6309 The variables of the pattern are bound in the body of the 
6310 <literal>proc</literal>-expression,
6311 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
6312 The syntax of commands is as follows:
6313 <screen>
6314 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
6315        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
6316        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
6317 </screen>
6318 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
6319 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
6320 infix operators as for expressions, and
6321 <screen>
6322 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6323        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
6324        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
6325        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
6326        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
6327        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
6328
6329 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
6330        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
6331        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
6332
6333 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
6334        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
6335        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
6336        |  <replaceable>cmd</replaceable>
6337 </screen>
6338 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
6339 except that the bodies are commands instead of expressions.
6340 </para>
6341
6342 <para>
6343 Commands produce values, but (like monadic computations)
6344 may yield more than one value,
6345 or none, and may do other things as well.
6346 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
6347 using commands.
6348 However the values of expressions, even monadic ones,
6349 are determined by the values of the variables they contain;
6350 this is not necessarily the case for commands.
6351 </para>
6352
6353 <para>
6354 A simple example of the new notation is the expression
6355 <screen>
6356 proc x -> f -&lt; x+1
6357 </screen>
6358 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
6359 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
6360 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
6361 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
6362 It refers to the input to the arrow.
6363 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
6364 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
6365 type and an expression to be fed as input to that arrow.
6366 (The weird look will make more sense later.)
6367 It may be read as analogue of application for arrows.
6368 The above example is equivalent to the Haskell expression
6369 <screen>
6370 arr (\ x -> x+1) >>> f
6371 </screen>
6372 That would make no sense if the expression to the left of
6373 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
6374 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
6375 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
6376 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
6377 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
6378 <screen>
6379 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
6380 </screen>
6381 which is equivalent to
6382 <screen>
6383 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
6384 </screen>
6385 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
6386 class.
6387 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
6388 you may find a monadic formulation more convenient.
6389 </para>
6390
6391 <sect2>
6392 <title>do-notation for commands</title>
6393
6394 <para>
6395 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
6396 For example, you can write
6397 <screen>
6398 proc x -> do
6399         y &lt;- f -&lt; x+1
6400         g -&lt; 2*y
6401         let z = x+y
6402         t &lt;- h -&lt; x*z
6403         returnA -&lt; t+z
6404 </screen>
6405 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
6406 but with commands in place of monadic expressions.
6407 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
6408 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
6409 <literal>y</literal>.
6410 In the next line, the output is discarded.
6411 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
6412 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6413 module as <literal>arr id</literal>.
6414 The above example is treated as an abbreviation for
6415 <screen>
6416 arr (\ x -> (x, x)) >>>
6417         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
6418         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
6419         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
6420         arr snd >>>
6421         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
6422         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
6423         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
6424         returnA
6425 </screen>
6426 Note that variables not used later in the composition are projected out.
6427 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
6428 defined in the
6429 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6430 module, this reduces to
6431 <screen>
6432 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
6433         first f >>>
6434         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
6435         first g >>>
6436         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
6437         first h >>>
6438         arr (\ (t, z) -> t+z)
6439 </screen>
6440 which is what you might have written by hand.
6441 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
6442 </para>
6443
6444 <para>
6445 Note that although the above translation suggests that
6446 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
6447 monomorphic, the actual translation produces Core,
6448 so polymorphic variables are allowed.
6449 </para>
6450
6451 <para>
6452 It's also possible to have mutually recursive bindings,
6453 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
6454 <programlisting>
6455 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
6456 counter = proc reset -> do
6457         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
6458                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
6459         returnA -&lt; output
6460 </programlisting>
6461 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
6462 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
6463 </para>
6464
6465 </sect2>
6466
6467 <sect2>
6468 <title>Conditional commands</title>
6469
6470 <para>
6471 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
6472 input for an arrow.
6473 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
6474 <screen>
6475 proc (x,y) ->
6476         if f x y
6477         then g -&lt; x+1
6478         else h -&lt; y+2
6479 </screen>
6480 which is translated to
6481 <screen>
6482 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
6483         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
6484 </screen>
6485 Since the translation uses <function>|||</function>,
6486 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
6487 </para>
6488
6489 <para>
6490 There are also <literal>case</literal> commands, like
6491 <screen>
6492 case input of
6493     [] -> f -&lt; ()
6494     [x] -> g -&lt; x+1
6495     x1:x2:xs -> do
6496         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
6497         ys &lt;- k -&lt; xs
6498         returnA -&lt; y:ys
6499 </screen>
6500 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
6501 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
6502 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
6503 </para>
6504
6505 </sect2>
6506
6507 <sect2>
6508 <title>Defining your own control structures</title>
6509
6510 <para>
6511 As we're seen, arrow notation provides constructs,
6512 modelled on those for expressions,
6513 for sequencing, value recursion and conditionals.
6514 But suitable combinators,
6515 which you can define in ordinary Haskell,
6516 may also be used to build new commands out of existing ones.
6517 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
6518 These environments assign values to the free local variables of the command.
6519 Thus combinators that produce arrows from arrows
6520 may also be used to build commands from commands.
6521 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
6522 <programlisting>
6523 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
6524 </programlisting>
6525 so we can use it to build commands:
6526 <programlisting>
6527 expr' = proc x -> do
6528                 returnA -&lt; x
6529         &lt;+> do
6530                 symbol Plus -&lt; ()
6531                 y &lt;- term -&lt; ()
6532                 expr' -&lt; x + y
6533         &lt;+> do
6534                 symbol Minus -&lt; ()
6535                 y &lt;- term -&lt; ()
6536                 expr' -&lt; x - y
6537 </programlisting>
6538 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
6539 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
6540 expression on the previous line.)
6541 This is equivalent to
6542 <programlisting>
6543 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
6544         &lt;+> (proc x -> do
6545                 symbol Plus -&lt; ()
6546                 y &lt;- term -&lt; ()
6547                 expr' -&lt; x + y)
6548         &lt;+> (proc x -> do
6549                 symbol Minus -&lt; ()
6550                 y &lt;- term -&lt; ()
6551                 expr' -&lt; x - y)
6552 </programlisting>
6553 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
6554 (representing the environment input to the command
6555 and thence to its subcommands)
6556 and satisfy the corresponding naturality property
6557 <screen>
6558 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
6559 </screen>
6560 at least for strict <literal>k</literal>.
6561 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
6562 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
6563 of the whole command,
6564 and also allows the translation to safely trim these environments.
6565 The operator must also not use any variable defined within the current
6566 arrow abstraction.
6567 </para>
6568
6569 <para>
6570 We could define our own operator
6571 <programlisting>
6572 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
6573 untilA body cond = proc x ->
6574         b &lt;- cond -&lt; x
6575         if b then returnA -&lt; ()
6576         else do
6577                 body -&lt; x
6578                 untilA body cond -&lt; x
6579 </programlisting>
6580 and use it in the same way.
6581 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
6582 there is also a more general syntax involving special brackets:
6583 <screen>
6584 proc x -> do
6585         y &lt;- f -&lt; x+1
6586         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
6587 </screen>
6588 </para>
6589
6590 </sect2>
6591
6592 <sect2>
6593 <title>Primitive constructs</title>
6594
6595 <para>
6596 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
6597 For example, in an arrow type supporting exceptions,
6598 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
6599 exception that occurred to the handler.
6600 Such an operator might have a type
6601 <screen>
6602 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
6603 </screen>
6604 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
6605 You could then use this with arrow notation by writing a command
6606 <screen>
6607 body `handleA` \ ex -> handler
6608 </screen>
6609 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
6610 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
6611 and the command <literal>handler</literal>,
6612 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
6613 Though the syntax here looks like a functional lambda,
6614 we are talking about commands, and something different is going on.
6615 The input to the arrow represented by a command consists of values for
6616 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
6617 In all the prior examples, this stack was empty.
6618 In the second argument to <function>handleA</function>,
6619 this stack consists of one value, the value of the exception.
6620 The command form of lambda merely gives this value a name.
6621 </para>
6622
6623 <para>
6624 More concretely,
6625 the values on the stack are paired to the right of the environment.
6626 So operators like <function>handleA</function> that pass
6627 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
6628 by pairing the values with the environment in this way.
6629 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
6630 should have the form
6631 <screen>
6632 a (...(e,t1), ... tn) t
6633 </screen>
6634 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
6635 (representing the environment)
6636 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
6637 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
6638 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
6639 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
6640 <replaceable>t</replaceable>.
6641 However the arrows involved need not be the same.
6642 Here are some more examples of suitable operators:
6643 <screen>
6644 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
6645 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
6646 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
6647 </screen>
6648 We can supply the extra input required by commands built with the last two
6649 by applying them to ordinary expressions, as in
6650 <screen>
6651 proc x -> do
6652         s &lt;- ...
6653         (|runReader (do { ... })|) s
6654 </screen>
6655 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
6656 built using <function>runReader</function>.
6657 </para>
6658
6659 <para>
6660 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
6661 the expression versions.
6662 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
6663 These three features (operators, lambda abstraction and application)
6664 are the core of the notation; everything else can be built using them,
6665 though the results would be somewhat clumsy.
6666 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
6667 <programlisting>
6668 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
6669 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
6670
6671 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
6672 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
6673 </programlisting>
6674 We could simulate <literal>if</literal> by defining
6675 <programlisting>
6676 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
6677 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
6678 </programlisting>
6679 </para>
6680
6681 </sect2>
6682
6683 <sect2>
6684 <title>Differences with the paper</title>
6685
6686 <itemizedlist>
6687
6688 <listitem>
6689 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
6690 translations, the implementation provides two forms
6691 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
6692 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
6693 </para>
6694 </listitem>
6695
6696 <listitem>
6697 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
6698 a new <literal>form</literal> keyword.
6699 </para>
6700 </listitem>
6701
6702 </itemizedlist>
6703
6704 </sect2>
6705
6706 <sect2>
6707 <title>Portability</title>
6708
6709 <para>
6710 Although only GHC implements arrow notation directly,
6711 there is also a preprocessor
6712 (available from the 
6713 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
6714 that translates arrow notation into Haskell 98
6715 for use with other Haskell systems.
6716 You would still want to check arrow programs with GHC;
6717 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
6718 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
6719 additional restrictions:
6720 <itemizedlist>
6721
6722 <listitem>
6723 <para>
6724 The module must import
6725 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
6726 </para>
6727 </listitem>
6728
6729 <listitem>
6730 <para>
6731 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
6732 These would have to go in separate modules.
6733 </para>
6734 </listitem>
6735
6736 <listitem>
6737 <para>
6738 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
6739 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
6740 </para>
6741 </listitem>
6742
6743 </itemizedlist>
6744 </para>
6745
6746 </sect2>
6747
6748 </sect1>
6749
6750 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
6751
6752 <sect1 id="bang-patterns">
6753 <title>Bang patterns
6754 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
6755 </title>
6756 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
6757 patterns</emphasis>, written <literal>!<replaceable>pat</replaceable></literal>.   
6758 Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
6759 The <ulink
6760 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
6761 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
6762 than the material below.
6763 </para>
6764 <para>
6765 The key change is the addition of a new rule to the 
6766 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">semantics of pattern matching in the Haskell 98 report</ulink>.
6767 Add new bullet 10, saying: Matching the pattern <literal>!</literal><replaceable>pat</replaceable> 
6768 against a value <replaceable>v</replaceable> behaves as follows:
6769 <itemizedlist>
6770 <listitem><para>if <replaceable>v</replaceable> is bottom, the match diverges</para></listitem>
6771 <listitem><para>otherwise, <replaceable>pat</replaceable> is matched against <replaceable>v</replaceable>  </para></listitem>
6772 </itemizedlist>
6773 </para>
6774 <para>
6775 Bang patterns are enabled by the flag <option>-XBangPatterns</option>.
6776 </para>
6777
6778 <sect2 id="bang-patterns-informal">
6779 <title>Informal description of bang patterns
6780 </title>
6781 <para>
6782 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
6783 <programlisting>
6784   pat ::= !pat
6785 </programlisting>
6786 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
6787 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
6788 Example:
6789 <programlisting>
6790 f1 !x = True
6791 </programlisting>
6792 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
6793 whereas without the bang it would be lazy.
6794 Bang patterns can be nested of course:
6795 <programlisting>
6796 f2 (!x, y) = [x,y]
6797 </programlisting>
6798 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
6799 <literal>y</literal>.  
6800 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
6801 <programlisting>
6802 f3 !(x,y) = [x,y]
6803 f4 (x,y)  = [x,y]
6804 </programlisting>
6805 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; 
6806 putting a bang before a pattern that
6807 forces evaluation anyway does nothing.
6808 </para>
6809 <para>
6810 There is one (apparent) exception to this general rule that a bang only
6811 makes a difference when it precedes a variable or wild-card: a bang at the
6812 top level of a <literal>let</literal> or <literal>where</literal>
6813 binding makes the binding strict, regardless of the pattern. For example:
6814 <programlisting>
6815 let ![x,y] = e in b
6816 </programlisting>
6817 is a strict binding: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
6818 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>.
6819 (We say "apparent" exception because the Right Way to think of it is that the bang
6820 at the top of a binding is not part of the <emphasis>pattern</emphasis>; rather it
6821 is part of the syntax of the <emphasis>binding</emphasis>.)
6822 Nested bangs in a pattern binding behave uniformly with all other forms of 
6823 pattern matching.  For example
6824 <programlisting>
6825 let (!x,[y]) = e in b
6826 </programlisting>
6827 is equivalent to this:
6828 <programlisting>
6829 let { t = case e of (x,[y]) -> x `seq` (x,y)
6830       x = fst t
6831       y = snd t }
6832 in b
6833 </programlisting>
6834 The binding is lazy, but when either <literal>x</literal> or <literal>y</literal> is
6835 evaluated by <literal>b</literal> the entire pattern is matched, including forcing the
6836 evaluation of <literal>x</literal>.
6837 </para>
6838 <para>
6839 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
6840 <programlisting>
6841 g5 x = let y = f x in body
6842 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
6843 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
6844 </programlisting>
6845 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
6846 But <literal>g7</literal> evaluates <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
6847 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
6848 </para>
6849 </sect2>
6850
6851
6852 <sect2 id="bang-patterns-sem">
6853 <title>Syntax and semantics
6854 </title>
6855 <para>
6856
6857 We add a single new production to the syntax of patterns:
6858 <programlisting>
6859   pat ::= !pat
6860 </programlisting>
6861 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
6862 <programlisting>
6863 f !x = 3
6864 </programlisting>
6865 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
6866 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
6867 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
6868 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
6869 prefix notation:
6870 <programlisting>
6871 (!) f x = 3
6872 </programlisting>
6873 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
6874 url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
6875 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
6876 one extra item 10, saying:
6877 <itemizedlist><listitem><para>Matching
6878 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
6879 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
6880                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
6881                 <literal>v</literal></para></listitem>
6882 </itemizedlist>
6883 </para></listitem></itemizedlist>
6884 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
6885 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
6886 <programlisting>
6887 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
6888    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
6889 </programlisting>
6890 </para><para>
6891 That leaves let expressions, whose translation is given in 
6892 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
6893 3.12</ulink>
6894 of the Haskell Report.
6895 In the translation box, first apply 
6896 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
6897 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
6898 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
6899 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
6900 </para>
6901 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
6902 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
6903 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
6904 thus:
6905 <programlisting>
6906   let !y = f x in b
6907 </programlisting>
6908
6909 </para>
6910 <para>
6911 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
6912 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
6913 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
6914      is equivalent to
6915 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
6916 </para>
6917 <para>
6918 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
6919 a module.
6920 </para>
6921 </sect2>
6922 </sect1>
6923
6924 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
6925
6926 <sect1 id="assertions">
6927 <title>Assertions
6928 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
6929 </title>
6930
6931 <para>
6932 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
6933 could define a function like the following:
6934 </para>
6935
6936 <para>
6937
6938 <programlisting>
6939 assert :: Bool -> a -> a
6940 assert False x = error "assertion failed!"
6941 assert _     x = x
6942 </programlisting>
6943
6944 </para>
6945
6946 <para>
6947 which works, but gives you back a less than useful error message --
6948 an assertion failed, but which and where?
6949 </para>
6950
6951 <para>
6952 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
6953 takes a descriptive string to include in the error message and
6954 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
6955 the source location where <function>assert</function> was used.
6956 </para>
6957
6958 <para>
6959 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
6960 use of <function>assert</function> in the user's source:
6961 </para>
6962
6963 <para>
6964
6965 <programlisting>
6966 kelvinToC :: Double -> Double
6967 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
6968 </programlisting>
6969
6970 </para>
6971
6972 <para>
6973 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
6974 assertion was made,
6975 </para>
6976
6977 <para>
6978
6979 <programlisting>
6980 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
6981 </programlisting>
6982
6983 </para>
6984
6985 <para>
6986 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
6987 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
6988 can still define and use your own versions of
6989 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
6990 <literal>Control.Exception</literal> to make use
6991 <function>assert</function> in your code.
6992 </para>
6993
6994 <para>
6995 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
6996       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
6997 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
6998 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
6999       <option>-fignore-asserts</option>
7000       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
7001       </indexterm>.</para>
7002
7003 <para>
7004 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
7005 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
7006 </para>
7007
7008 </sect1>
7009
7010
7011 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
7012
7013   <sect1 id="pragmas">
7014     <title>Pragmas</title>
7015
7016     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
7017
7018     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
7019     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
7020     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
7021     of the generated code.</para>
7022
7023     <para>Pragmas all take the form
7024
7025 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
7026
7027     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
7028     pragma, and is followed optionally by information specific to that
7029     type of pragma.  Case is ignored in
7030     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
7031     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
7032     in the following sections; any pragma encountered with an
7033     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is
7034     ignored. The layout rule applies in pragmas, so the closing <literal>#-}</literal>
7035     should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>. </para> 
7036
7037     <para>Certain pragmas are <emphasis>file-header pragmas</emphasis>:
7038       <itemizedlist>
7039       <listitem><para>
7040           A file-header
7041           pragma must precede the <literal>module</literal> keyword in the file.
7042           </para></listitem>
7043       <listitem><para>
7044       There can be as many file-header pragmas as you please, and they can be
7045       preceded or followed by comments.  
7046           </para></listitem>
7047       <listitem><para>
7048       File-header pragmas are read once only, before
7049       pre-processing the file (e.g. with cpp).
7050           </para></listitem>
7051       <listitem><para>
7052          The file-header pragmas are: <literal>{-# LANGUAGE #-}</literal>,
7053         <literal>{-# OPTIONS_GHC #-}</literal>, and
7054         <literal>{-# INCLUDE #-}</literal>.
7055           </para></listitem>
7056       </itemizedlist>
7057       </para>
7058
7059     <sect2 id="language-pragma">
7060       <title>LANGUAGE pragma</title>
7061
7062       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7063       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
7064
7065       <para>The <literal>LANGUAGE</literal> pragma allows language extensions to be enabled 
7066         in a portable way.
7067         It is the intention that all Haskell compilers support the
7068         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
7069         all extensions are supported by all compilers, of
7070         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
7071         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
7072
7073       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
7074
7075 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
7076
7077         <para><literal>LANGUAGE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7078
7079       <para>Every language extension can also be turned into a command-line flag
7080         by prefixing it with "<literal>-X</literal>"; for example <option>-XForeignFunctionInterface</option>.
7081         (Similarly, all "<literal>-X</literal>" flags can be written as <literal>LANGUAGE</literal> pragmas.
7082       </para>
7083
7084       <para>A list of all supported language extensions can be obtained by invoking
7085         <literal>ghc --supported-languages</literal> (see <xref linkend="modes"/>).</para>
7086
7087       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
7088         <ulink
7089           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink>
7090         may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
7091     </sect2>
7092
7093
7094     <sect2 id="options-pragma">
7095       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
7096       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
7097       </indexterm>
7098       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
7099       </indexterm>
7100
7101       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
7102       additional options that are given to the compiler when compiling
7103       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
7104       details.</para>
7105
7106       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
7107         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
7108     </sect2>
7109
7110         <para><literal>OPTIONS_GHC</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7111
7112     <sect2 id="include-pragma">
7113       <title>INCLUDE pragma</title>
7114
7115       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
7116         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
7117         the C source code generated by the compiler for the current module (if
7118         compiling via C).  For example:</para>
7119
7120 <programlisting>
7121 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
7122 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
7123
7124         <para><literal>INCLUDE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7125
7126       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
7127         to the <option>-#include</option> option (<xref
7128           linkend="options-C-compiler" />), because the
7129         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
7130         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
7131         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
7132         don't recommend using this approach with GHC.</para>
7133     </sect2>
7134
7135     <sect2 id="warning-deprecated-pragma">
7136       <title>WARNING and DEPRECATED pragmas</title>
7137       <indexterm><primary>WARNING</primary></indexterm>
7138       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary></indexterm>
7139
7140       <para>The WARNING pragma allows you to attach an arbitrary warning
7141       to a particular function, class, or type.
7142       A DEPRECATED pragma lets you specify that
7143       a particular function, class, or type is deprecated.
7144       There are two ways of using these pragmas.
7145
7146       <itemizedlist>
7147         <listitem>
7148           <para>You can work on an entire module thus:</para>
7149 <programlisting>
7150    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
7151      ...
7152 </programlisting>
7153       <para>Or:</para>
7154 <programlisting>
7155    module Wibble {-# WARNING "This is an unstable interface." #-} where
7156      ...
7157 </programlisting>
7158           <para>When you compile any module that import
7159           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
7160           message.</para>
7161         </listitem>
7162
7163         <listitem>
7164           <para>You can attach a warning to a function, class, type, or data constructor, with the
7165           following top-level declarations:</para>
7166 <programlisting>
7167    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
7168    {-# WARNING unsafePerformIO "This is unsafe; I hope you know what you're doing" #-}
7169 </programlisting>
7170           <para>When you compile any module that imports and uses any
7171           of the specified entities, GHC will print the specified
7172           message.</para>
7173           <para> You can only attach to entities declared at top level in the module
7174           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
7175           entities. A capitalised name, such as <literal>T</literal>
7176           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
7177           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
7178           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to
7179       specify one without the other (c.f. fixities
7180       <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
7181         </listitem>
7182       </itemizedlist>
7183       Warnings and deprecations are not reported for
7184       (a) uses within the defining module, and
7185       (b) uses in an export list.
7186       The latter reduces spurious complaints within a library
7187       in which one module gathers together and re-exports 
7188       the exports of several others.
7189       </para>
7190       <para>You can suppress the warnings with the flag
7191       <option>-fno-warn-warnings-deprecations</option>.</para>
7192     </sect2>
7193
7194     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
7195       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
7196
7197       <para>These pragmas control the inlining of function
7198       definitions.</para>
7199
7200       <sect3 id="inline-pragma">
7201         <title>INLINE pragma</title>
7202         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
7203
7204         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
7205         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
7206         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
7207         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
7208         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
7209         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
7210         export that unfolding for other modules to use.</para>
7211
7212         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
7213         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
7214         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
7215
7216 <programlisting>
7217 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
7218 {-# INLINE key_function #-}
7219 </programlisting>
7220
7221         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
7222         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
7223         The normal unfolding machinery will then be very keen to
7224         inline it.  However, an <literal>INLINE</literal> pragma for a 
7225         function "<literal>f</literal>" has a number of other effects:
7226 <itemizedlist>
7227 <listitem><para>
7228 No functions are inlined into <literal>f</literal>.  Otherwise
7229 GHC might inline a big function into <literal>f</literal>'s right hand side, 
7230 making <literal>f</literal> big; and then inline <literal>f</literal> blindly.
7231 </para></listitem>
7232 <listitem><para>
7233 The float-in, float-out, and common-sub-expression transformations are not 
7234 applied to the body of <literal>f</literal>.  
7235 </para></listitem>
7236 <listitem><para>
7237 An INLINE function is not worker/wrappered by strictness analysis.
7238 It's going to be inlined wholesale instead.
7239 </para></listitem>
7240 </itemizedlist>
7241 All of these effects are aimed at ensuring that what gets inlined is
7242 exactly what you asked for, no more and no less.
7243 </para>
7244 <para>GHC ensures that inlining cannot go on forever: every mutually-recursive
7245 group is cut by one or more <emphasis>loop breakers</emphasis> that is never inlined
7246 (see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/Papers/inlining/index.htm">
7247 Secrets of the GHC inliner, JFP 12(4) July 2002</ulink>).
7248 GHC tries not to select a function with an INLINE pragma as a loop breaker, but
7249 when there is no choice even an INLINE function can be selected, in which case
7250 the INLINE pragma is ignored.
7251 For example, for a self-recursive function, the loop breaker can only be the function
7252 itself, so an INLINE pragma is always ignored.</para>
7253
7254         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
7255         function can be put anywhere its type signature could be
7256         put.</para>
7257
7258         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
7259         good idea for the
7260         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
7261         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
7262         a monad.  For example, in GHC's own
7263         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
7264
7265 <programlisting>
7266 {-# INLINE thenUs #-}
7267 {-# INLINE returnUs #-}
7268 </programlisting>
7269
7270         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
7271         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
7272
7273         <para>Note: the HBC compiler doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas,
7274           so if you want your code to be HBC-compatible you'll have to surround
7275           the pragma with C pre-processor directives 
7276           <literal>#ifdef __GLASGOW_HASKELL__</literal>...<literal>#endif</literal>.</para>
7277
7278       </sect3>
7279
7280       <sect3 id="noinline-pragma">
7281         <title>NOINLINE pragma</title>
7282         
7283         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
7284         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
7285
7286         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
7287         you'd expect: it stops the named function from being inlined
7288         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
7289         you're very cautious about code size.</para>
7290
7291         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
7292         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
7293         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
7294         inlining, so it should be used if you want your code to be
7295         portable).</para>
7296       </sect3>
7297
7298       <sect3 id="phase-control">
7299         <title>Phase control</title>
7300
7301         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
7302         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
7303         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
7304         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
7305         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
7306         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
7307         sequence of phase numbers for successive runs of the
7308         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
7309         phase number, thus:
7310         <itemizedlist>
7311           <listitem>
7312             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7313             <literal>f</literal>
7314               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7315               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
7316             </para></listitem>
7317           <listitem>
7318             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
7319             <literal>f</literal>
7320               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7321               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7322             </para></listitem>
7323           <listitem>
7324             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7325             <literal>f</literal>
7326               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7327               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
7328               there was no pragma).
7329             </para></listitem>
7330             <listitem>
7331             <para>"<literal>NOINLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
7332             <literal>f</literal>
7333               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7334               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7335             </para></listitem>
7336         </itemizedlist>
7337 The same information is summarised here:
7338 <programlisting>
7339                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
7340   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
7341   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
7342   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
7343   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
7344
7345   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
7346   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
7347 </programlisting>
7348 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
7349 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
7350 Another way to understand the semantics is this:
7351 <itemizedlist>
7352 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
7353 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
7354 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
7355 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
7356 happen.
7357 </para></listitem>
7358 </itemizedlist>
7359 </para>
7360 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
7361         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
7362       </sect3>
7363     </sect2>
7364
7365     <sect2 id="annotation-pragmas">
7366       <title>ANN pragmas</title>
7367       
7368       <para>GHC offers the ability to annotate various code constructs with additional
7369       data by using three pragmas.  This data can then be inspected at a later date by
7370       using GHC-as-a-library.</para>
7371             
7372       <sect3 id="ann-pragma">
7373         <title>Annotating values</title>
7374         
7375         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7376         
7377         <para>Any expression that has both <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances may be attached to a top-level value
7378         binding using an <literal>ANN</literal> pragma. In particular, this means you can use <literal>ANN</literal>
7379         to annotate data constructors (e.g. <literal>Just</literal>) as well as normal values (e.g. <literal>take</literal>).
7380         By way of example, to annotate the function <literal>foo</literal> with the annotation <literal>Just "Hello"</literal>
7381         you would do this:</para>
7382         
7383 <programlisting>
7384 {-# ANN foo (Just "Hello") #-}
7385 foo = ...
7386 </programlisting>
7387         
7388         <para>
7389           A number of restrictions apply to use of annotations:
7390           <itemizedlist>
7391             <listitem><para>The binder being annotated must be at the top level (i.e. no nested binders)</para></listitem>
7392             <listitem><para>The binder being annotated must be declared in the current module</para></listitem>
7393             <listitem><para>The expression you are annotating with must have a type with <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances</para></listitem>
7394             <listitem><para>The <ulink linkend="using-template-haskell">Template Haskell staging restrictions</ulink> apply to the
7395             expression being annotated with, so for example you cannot run a function from the module being compiled.</para>
7396             
7397             <para>To be precise, the annotation <literal>{-# ANN x e #-}</literal> is well staged if and only if <literal>$(e)</literal> would be 
7398             (disregarding the usual type restrictions of the splice syntax, and the usual restriction on splicing inside a splice - <literal>$([|1|])</literal> is fine as an annotation, albeit redundant).</para></listitem>
7399           </itemizedlist>
7400           
7401           If you feel strongly that any of these restrictions are too onerous, <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/MailingListsAndIRC">
7402           please give the GHC team a shout</ulink>.
7403         </para>
7404         
7405         <para>However, apart from these restrictions, many things are allowed, including expressions which are not fully evaluated!
7406         Annotation expressions will be evaluated by the compiler just like Template Haskell splices are. So, this annotation is fine:</para>
7407         
7408 <programlisting>
7409 {-# ANN f SillyAnnotation { foo = (id 10) + $([| 20 |]), bar = 'f } #-}
7410 f = ...
7411 </programlisting>
7412       </sect3>
7413       
7414       <sect3 id="typeann-pragma">
7415         <title>Annotating types</title>
7416         
7417         <indexterm><primary>ANN type</primary></indexterm>
7418         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7419         
7420         <para>You can annotate types with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>type</literal> keyword. For example:</para>
7421         
7422 <programlisting>
7423 {-# ANN type Foo (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7424 data Foo = ...
7425 </programlisting>
7426       </sect3>
7427       
7428       <sect3 id="modann-pragma">
7429         <title>Annotating modules</title>
7430         
7431         <indexterm><primary>ANN module</primary></indexterm>
7432         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7433         
7434         <para>You can annotate modules with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>module</literal> keyword. For example:</para>
7435         
7436 <programlisting>
7437 {-# ANN module (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7438 </programlisting>
7439       </sect3>
7440     </sect2>
7441
7442     <sect2 id="line-pragma">
7443       <title>LINE pragma</title>
7444
7445       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7446       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
7447       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
7448       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
7449       code.  It lets you specify the line number and filename of the
7450       original code; for example</para>
7451
7452 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
7453
7454       <para>if you'd generated the current file from something called
7455       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
7456       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
7457       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
7458       pragma.</para>
7459     </sect2>
7460
7461     <sect2 id="rules">
7462       <title>RULES pragma</title>
7463
7464       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
7465       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
7466     </sect2>
7467
7468     <sect2 id="specialize-pragma">
7469       <title>SPECIALIZE pragma</title>
7470
7471       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7472       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
7473       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7474
7475       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
7476       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
7477       specialised to particular types.  Thus, if you have an
7478       overloaded function:</para>
7479
7480 <programlisting>
7481   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
7482 </programlisting>
7483
7484       <para>If it is heavily used on lists with
7485       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
7486       follows:</para>
7487
7488 <programlisting>
7489   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
7490 </programlisting>
7491
7492       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
7493       be put anywhere its type signature could be put.</para>
7494
7495       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
7496       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
7497       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
7498       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
7499
7500       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
7501         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
7502         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
7503 <programlisting>
7504   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
7505 </programlisting>
7506       is valid if and only if the definition
7507 <programlisting>
7508   f_spec :: &lt;type&gt;
7509   f_spec = f
7510 </programlisting>
7511       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
7512       for the original function, not its code):
7513 <programlisting>
7514   f :: Eq a => a -> b -> b
7515   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
7516
7517   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
7518   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
7519
7520   h :: Eq a => a -> a -> a
7521   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
7522 </programlisting>
7523 The last of these examples will generate a 
7524 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
7525 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
7526 </para>
7527
7528 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
7529 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
7530 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
7531 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised version of the
7532 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
7533 example is this:
7534 <programlisting>
7535 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
7536 data Arr e where
7537   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
7538   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
7539
7540 (!:) :: Arr e -> Int -> e
7541 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
7542 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
7543 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
7544 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
7545 </programlisting>
7546 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
7547 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
7548 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
7549 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
7550 <literal>(!:)</literal>,
7551 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
7552 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
7553 unrolling of the indexing function.</para>
7554 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
7555 on an ordinarily-recursive function.</para>
7556
7557       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
7558       specialised function for a given type:
7559
7560 <programlisting>
7561 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
7562 </programlisting>
7563
7564       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
7565       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
7566
7567     </sect2>
7568
7569 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
7570 <title>SPECIALIZE instance pragma
7571 </title>
7572
7573 <para>
7574 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7575 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7576 Same idea, except for instance declarations.  For example:
7577
7578 <programlisting>
7579 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
7580    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
7581    ... usual stuff ...
7582  }
7583 </programlisting>
7584 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
7585 of the instance declaration.
7586 </para>
7587 <para>
7588 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
7589 of the pragma.
7590 </para>
7591
7592 </sect2>
7593
7594     <sect2 id="unpack-pragma">
7595       <title>UNPACK pragma</title>
7596
7597       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
7598       
7599       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
7600       that it should unpack the contents of a constructor field into
7601       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
7602       example:</para>
7603
7604 <programlisting>
7605 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
7606            {-# UNPACK #-} !Float
7607 </programlisting>
7608
7609       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
7610       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
7611       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
7612       floats passed to a non-strict function for example, they will
7613       have to be reboxed (this is done automatically by the
7614       compiler).</para>
7615
7616       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
7617       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
7618       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
7619       often as possible.  For example:</para>
7620
7621 <programlisting>
7622 f :: T -&#62; Float
7623 f (T f1 f2) = f1 + f2
7624 </programlisting>
7625
7626       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
7627       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
7628       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
7629
7630       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
7631       example</para>
7632
7633 <programlisting>
7634 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
7635 </programlisting>
7636
7637       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
7638       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
7639       Multi-level unpacking is also supported:
7640
7641 <programlisting>
7642 data T = T {-# UNPACK #-} !S
7643 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
7644 </programlisting>
7645
7646       will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
7647       directly in the <function>T</function> constructor.  The
7648       unpacker can see through newtypes, too.</para>
7649
7650       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
7651       so it might be an idea to check the generated code with
7652       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
7653
7654       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
7655       which essentially has the effect of adding
7656       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
7657       constructor field.</para>
7658     </sect2>
7659
7660     <sect2 id="source-pragma">
7661       <title>SOURCE pragma</title>
7662
7663       <indexterm><primary>SOURCE</primary></indexterm>
7664      <para>The <literal>{-# SOURCE #-}</literal> pragma is used only in <literal>import</literal> declarations,
7665      to break a module loop.  It is described in detail in <xref linkend="mutual-recursion"/>.
7666      </para>
7667 </sect2>
7668
7669 </sect1>
7670
7671 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
7672
7673 <sect1 id="rewrite-rules">
7674 <title>Rewrite rules
7675
7676 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
7677 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
7678 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
7679
7680 <para>
7681 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
7682 (in a pragma).  
7683 Here is an example:
7684
7685 <programlisting>
7686   {-# RULES
7687   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7688     #-}
7689 </programlisting>
7690 </para>
7691 <para>
7692 Use the debug flag <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules fired.
7693 If you need more information, then <option>-ddump-rule-firings</option> shows you
7694 each individual rule firing in detail.
7695 </para>
7696
7697 <sect2>
7698 <title>Syntax</title>
7699
7700 <para>
7701 From a syntactic point of view:
7702
7703 <itemizedlist>
7704
7705 <listitem>
7706 <para>
7707  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma, separated by semicolons (which
7708  may be generated by the layout rule).
7709 </para>
7710 </listitem>
7711
7712 <listitem>
7713 <para>
7714 The layout rule applies in a pragma.
7715 Currently no new indentation level
7716 is set, so if you put several rules in single RULES pragma and wish to use layout to separate them,
7717 you must lay out the starting in the same column as the enclosing definitions.
7718 <programlisting>
7719   {-# RULES
7720   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7721   "map/append" forall f xs ys. map f (xs ++ ys) = map f xs ++ map f ys
7722     #-}
7723 </programlisting>
7724 Furthermore, the closing <literal>#-}</literal>
7725 should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>.
7726 </para>
7727 </listitem>
7728
7729 <listitem>
7730 <para>
7731  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
7732 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
7733 </para>
7734 </listitem>
7735
7736 <listitem>
7737 <para>
7738 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
7739 immediately after the name of the rule.  Thus:
7740 <programlisting>
7741   {-# RULES
7742         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
7743     #-}
7744 </programlisting>
7745 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
7746 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
7747 Phase 2.
7748 </para>
7749 </listitem>
7750
7751
7752
7753 <listitem>
7754 <para>
7755  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
7756 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
7757 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
7758 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
7759 </para>
7760 </listitem>
7761 <listitem>
7762
7763 <para>
7764  A pattern variable may optionally have a type signature.
7765 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
7766 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
7767
7768 <programlisting>
7769 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
7770               foldr k z (build g) = g k z
7771 </programlisting>
7772
7773 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
7774
7775 </para>
7776 </listitem>
7777 <listitem>
7778
7779 <para>
7780 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
7781 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
7782
7783 <programlisting>
7784 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
7785 "wrong2"   forall f.      f True = True
7786 </programlisting>
7787
7788 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
7789 in the head.
7790 </para>
7791 </listitem>
7792 <listitem>
7793
7794 <para>
7795  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
7796 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
7797 </para>
7798 </listitem>
7799 <listitem>
7800
7801 <para>
7802  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
7803 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
7804 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
7805 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
7806 declarations.
7807 </para>
7808 </listitem>
7809
7810 <listitem>
7811
7812 <para>
7813 Inside a RULE "<literal>forall</literal>" is treated as a keyword, regardless of
7814 any other flag settings.  Furthermore, inside a RULE, the language extension
7815 <option>-XScopedTypeVariables</option> is automatically enabled; see 
7816 <xref linkend="scoped-type-variables"/>.
7817 </para>
7818 </listitem>
7819 <listitem>
7820
7821 <para>
7822 Like other pragmas, RULE pragmas are always checked for scope errors, and
7823 are typechecked. Typechecking means that the LHS and RHS of a rule are typechecked, 
7824 and must have the same type.  However, rules are only <emphasis>enabled</emphasis>
7825 if the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag is 
7826 on (see <xref linkend="rule-semantics"/>).
7827 </para>
7828 </listitem>
7829 </itemizedlist>
7830
7831 </para>
7832
7833 </sect2>
7834
7835 <sect2 id="rule-semantics">
7836 <title>Semantics</title>
7837
7838 <para>
7839 From a semantic point of view:
7840
7841 <itemizedlist>
7842 <listitem>
7843 <para>
7844 Rules are enabled (that is, used during optimisation)
7845 by the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag.
7846 This flag is implied by <option>-O</option>, and may be switched
7847 off (as usual) by <option>-fno-enable-rewrite-rules</option>.
7848 (NB: enabling <option>-fenable-rewrite-rules</option> without <option>-O</option> 
7849 may not do what you expect, though, because without <option>-O</option> GHC 
7850 ignores all optimisation information in interface files;
7851 see <option>-fignore-interface-pragmas</option>, <xref linkend="options-f"/>.)
7852 Note that <option>-fenable-rewrite-rules</option> is an <emphasis>optimisation</emphasis> flag, and
7853 has no effect on parsing or typechecking.
7854 </para>
7855 </listitem>
7856
7857 <listitem>
7858 <para>
7859  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
7860 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
7861 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
7862 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
7863 expression by substituting for the pattern variables.
7864
7865 </para>
7866 </listitem>
7867 <listitem>
7868
7869 <para>
7870  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
7871 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
7872 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
7873
7874 </para>
7875 </listitem>
7876 <listitem>
7877
7878 <para>
7879  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
7880 terminating.  For example:
7881
7882 <programlisting>
7883   "loop"        forall x y.  f x y = f y x
7884 </programlisting>
7885
7886 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
7887
7888 </para>
7889 </listitem>
7890 <listitem>
7891
7892 <para>
7893  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
7894
7895 </para>
7896 </listitem>
7897 <listitem>
7898 <para>
7899  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
7900 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
7901 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
7902 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
7903 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
7904 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
7905 </para>
7906
7907 <para>
7908 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
7909 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
7910 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
7911 </para>
7912 </listitem>
7913 <listitem>
7914
7915 <para>
7916  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
7917 For example, consider:
7918
7919 <programlisting>
7920   let s = map f
7921       t = map g
7922   in
7923   s (t xs)
7924 </programlisting>
7925
7926 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
7927 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
7928 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
7929 not be substituted, and the rule would not fire.
7930
7931 </para>
7932 </listitem>
7933 <listitem>
7934
7935 <para>
7936 Ordinary inlining happens at the same time as rule rewriting, which may lead to unexpected
7937 results.  Consider this (artificial) example
7938 <programlisting>
7939 f x = x
7940 {-# RULES "f" f True = False #-}
7941
7942 g y = f y
7943
7944 h z = g True
7945 </programlisting>
7946 Since <literal>f</literal>'s right-hand side is small, it is inlined into <literal>g</literal>,
7947 to give
7948 <programlisting>
7949 g y = y
7950 </programlisting>
7951 Now <literal>g</literal> is inlined into <literal>h</literal>, but <literal>f</literal>'s RULE has
7952 no chance to fire.  
7953 If instead GHC had first inlined <literal>g</literal> into <literal>h</literal> then there
7954 would have been a better chance that <literal>f</literal>'s RULE might fire.  
7955 </para>
7956 <para>
7957 The way to get predictable behaviour is to use a NOINLINE 
7958 pragma on <literal>f</literal>, to ensure
7959 that it is not inlined until its RULEs have had a chance to fire.
7960 </para>
7961 </listitem>
7962 </itemizedlist>
7963
7964 </para>
7965
7966 </sect2>
7967
7968 <sect2>
7969 <title>List fusion</title>
7970
7971 <para>
7972 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
7973 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
7974 intermediate list should be eliminated entirely.
7975 </para>
7976
7977 <para>
7978 The following are good producers:
7979
7980 <itemizedlist>
7981 <listitem>
7982
7983 <para>
7984  List comprehensions
7985 </para>
7986 </listitem>
7987 <listitem>
7988
7989 <para>
7990  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
7991 </para>
7992 </listitem>
7993 <listitem>
7994
7995 <para>
7996  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
7997 </para>
7998 </listitem>
7999 <listitem>
8000
8001 <para>
8002  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
8003 </para>
8004 </listitem>
8005 <listitem>
8006
8007 <para>
8008  <function>++</function>
8009 </para>
8010 </listitem>
8011
8012 <listitem>
8013 <para>
8014  <function>map</function>
8015 </para>
8016 </listitem>
8017
8018 <listitem>
8019 <para>
8020 <function>take</function>, <function>filter</function>
8021 </para>
8022 </listitem>
8023 <listitem>
8024
8025 <para>
8026  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
8027 </para>
8028 </listitem>
8029 <listitem>
8030
8031 <para>
8032  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
8033 </para>
8034 </listitem>
8035
8036 </itemizedlist>
8037
8038 </para>
8039
8040 <para>
8041 The following are good consumers:
8042
8043 <itemizedlist>
8044 <listitem>
8045
8046 <para>
8047  List comprehensions
8048 </para>
8049 </listitem>
8050 <listitem>
8051
8052 <para>
8053  <function>array</function> (on its second argument)
8054 </para>
8055 </listitem>
8056 <listitem>
8057
8058 <para>
8059  <function>++</function> (on its first argument)
8060 </para>
8061 </listitem>
8062
8063 <listitem>
8064 <para>
8065  <function>foldr</function>
8066 </para>
8067 </listitem>
8068
8069 <listitem>
8070 <para>
8071  <function>map</function>
8072 </para>
8073 </listitem>
8074 <listitem>
8075
8076 <para>
8077 <function>take</function>, <function>filter</function>
8078 </para>
8079 </listitem>
8080 <listitem>
8081
8082 <para>
8083  <function>concat</function>
8084 </para>
8085 </listitem>
8086 <listitem>
8087
8088 <para>
8089  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
8090 </para>
8091 </listitem>
8092 <listitem>
8093
8094 <para>
8095  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
8096 will fuse with one but not the other)
8097 </para>
8098 </listitem>
8099 <listitem>
8100
8101 <para>
8102  <function>partition</function>
8103 </para>
8104 </listitem>
8105 <listitem>
8106
8107 <para>
8108  <function>head</function>
8109 </para>
8110 </listitem>
8111 <listitem>
8112
8113 <para>
8114  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
8115 </para>
8116 </listitem>
8117 <listitem>
8118
8119 <para>
8120  <function>sequence&lowbar;</function>
8121 </para>
8122 </listitem>
8123 <listitem>
8124
8125 <para>
8126  <function>msum</function>
8127 </para>
8128 </listitem>
8129 <listitem>
8130
8131 <para>
8132  <function>sortBy</function>
8133 </para>
8134 </listitem>
8135
8136 </itemizedlist>
8137
8138 </para>
8139
8140  <para>
8141 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
8142
8143 <programlisting>
8144 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
8145 </programlisting>
8146
8147 </para>
8148
8149 <para>
8150 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
8151 a lot which are not included, please tell us.
8152 </para>
8153
8154 <para>
8155 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
8156 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
8157 </para>
8158
8159 </sect2>
8160
8161 <sect2 id="rule-spec">
8162 <title>Specialisation
8163 </title>
8164
8165 <para>
8166 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
8167 present in earlier versions of GHC.
8168 For example, suppose that:
8169
8170 <programlisting>
8171 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
8172 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
8173 </programlisting>
8174
8175 where <function>intLookup</function> is an implementation of
8176 <function>genericLookup</function> that works very fast for
8177 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
8178 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
8179 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
8180 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
8181 It used to be possible to write
8182
8183 <programlisting>
8184 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
8185 </programlisting>
8186
8187 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
8188
8189 <programlisting>
8190 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
8191 </programlisting>
8192
8193 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
8194 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
8195 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
8196 What is more, this rule does not need to be in the same
8197 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
8198 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
8199 have an original definition available to specialise).
8200 </para>
8201
8202 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
8203 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
8204 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
8205
8206 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
8207 specialisation will Win Big:
8208
8209 <programlisting>
8210 toDouble :: Real a => a -> Double
8211 toDouble = fromRational . toRational
8212
8213 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
8214 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
8215 </programlisting>
8216
8217 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
8218 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
8219 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
8220 comparison.
8221 </para>
8222
8223 </sect2>
8224
8225 <sect2>
8226 <title>Controlling what's going on</title>
8227
8228 <para>
8229
8230 <itemizedlist>
8231 <listitem>
8232
8233 <para>
8234  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
8235 </para>
8236 </listitem>
8237 <listitem>
8238
8239 <para>
8240  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
8241 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
8242 </para>
8243 </listitem>
8244 <listitem>
8245
8246 <para>
8247  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks like this:
8248
8249 <programlisting>
8250         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
8251         {-# INLINE build #-}
8252         build g = g (:) []
8253 </programlisting>
8254
8255 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
8256 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
8257 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
8258 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
8259
8260 </para>
8261 </listitem>
8262 <listitem>
8263
8264 <para>
8265  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
8266 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
8267 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
8268 </para>
8269 </listitem>
8270
8271 </itemizedlist>
8272
8273 </para>
8274
8275 </sect2>
8276
8277 <sect2 id="core-pragma">
8278   <title>CORE pragma</title>
8279
8280   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
8281   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
8282   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
8283
8284 <para>
8285   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
8286   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
8287   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
8288   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
8289   literal as an argument.  The following function definition shows an
8290   example:
8291
8292 <programlisting>
8293 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
8294 </programlisting>
8295
8296   Semantically, this is equivalent to:
8297
8298 <programlisting>
8299 g x = show x
8300 </programlisting>
8301 </para>
8302
8303 <para>
8304   However, when external core is generated (via
8305   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
8306   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
8307   The core function declaration for <function>f</function> is:
8308 </para>
8309
8310 <programlisting>
8311   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
8312                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
8313     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
8314         (%note "foo"
8315          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
8316            {GHCziShow.ZCDShow
8317             (tpl1::GHCziBase.Int ->
8318                    a ->
8319                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8320 r)
8321             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
8322             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
8323                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8324 r) ->
8325               tpl2})
8326         (%note "bar"
8327          eta);
8328 </programlisting>
8329
8330 <para>
8331   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
8332   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
8333   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
8334   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
8335   <varname>x</varname>).
8336 </para>
8337
8338 </sect2>
8339
8340 </sect1>
8341
8342 <sect1 id="special-ids">
8343 <title>Special built-in functions</title>
8344 <para>GHC has a few built-in functions with special behaviour.  These
8345 are now described in the module <ulink
8346 url="../libraries/ghc-prim/GHC-Prim.html"><literal>GHC.Prim</literal></ulink>
8347 in the library documentation.</para>
8348 </sect1>
8349
8350
8351 <sect1 id="generic-classes">
8352 <title>Generic classes</title>
8353
8354 <para>
8355 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
8356 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
8357 An example will give the idea:
8358 </para>
8359
8360 <programlisting>
8361   import Generics
8362
8363   class Bin a where
8364     toBin   :: a -> [Int]
8365     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
8366   
8367     toBin {| Unit |}    Unit      = []
8368     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
8369     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
8370     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
8371   
8372     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
8373     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
8374     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
8375     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
8376                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
8377 </programlisting>
8378 <para>
8379 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
8380 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
8381 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
8382 </para>
8383 <programlisting>
8384   data Unit    = Unit
8385   data a :+: b = Inl a | Inr b
8386   data a :*: b = a :*: b
8387 </programlisting>
8388 <para>
8389 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
8390 <programlisting>
8391   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
8392   instance Bin a => Bin [a]
8393 </programlisting>
8394 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
8395 where clause and over-ride whichever methods you please.
8396 </para>
8397
8398     <sect2>
8399       <title> Using generics </title>
8400       <para>To use generics you need to</para>
8401       <itemizedlist>
8402         <listitem>
8403           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
8404                 <option>-XGenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
8405                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
8406                 available.  </para>
8407         </listitem>
8408         <listitem>
8409           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
8410           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
8411           scope the data types <literal>Unit</literal>,
8412           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
8413           don't need this import if you don't mention these types
8414           explicitly; for example, if you are simply giving instance
8415           declarations.)</para>
8416         </listitem>
8417       </itemizedlist>
8418     </sect2>
8419
8420 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
8421 <para>
8422 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
8423 can be written infix (indeed, you can now use
8424 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
8425 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
8426 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
8427 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
8428 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
8429 anticipate wanting).
8430 </para>
8431 </sect2>
8432
8433 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
8434 <para>
8435 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
8436 is one that is defined using type patterns as above.
8437 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
8438 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
8439 generic default method.
8440 </para>
8441
8442 <para>
8443 Restrictions:
8444 <itemizedlist>
8445 <listitem>
8446 <para>
8447 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
8448 field labels.
8449 </para>
8450 </listitem>
8451
8452 <listitem>
8453 <para>
8454 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
8455 multi-parameter class.
8456 </para>
8457 </listitem>
8458
8459 <listitem>
8460 <para>
8461 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
8462 without.  So this is illegal:
8463 <programlisting>
8464   class Foo a where
8465     op :: a -> (a, Bool)
8466     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
8467     op x               = (x,    False)
8468 </programlisting>
8469 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
8470 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
8471 </para>
8472 </listitem>
8473
8474 <listitem>
8475 <para>
8476 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
8477 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:
8478 <programlisting>
8479   class Foo a where
8480     op :: a -> Bool
8481     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
8482     ...
8483 </programlisting>
8484 </para>
8485 </listitem>
8486
8487 <listitem>
8488 <para>
8489 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
8490 <programlisting>
8491        a :+: b
8492        a :*: b
8493        Unit
8494 </programlisting>
8495 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
8496 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
8497 must use the same type variables.  So this is illegal:
8498 <programlisting>
8499   class Foo a where
8500     op :: a -> Bool
8501     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
8502     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
8503 </programlisting>
8504 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
8505 So this too is illegal:
8506 <programlisting>
8507   class Foo a where
8508     op1 :: a -> Bool
8509     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
8510
8511     op2 :: a -> Bool
8512     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
8513 </programlisting>
8514 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type constructor
8515 into a single generic instance declaration.)
8516 </para>
8517 </listitem>
8518
8519 <listitem>
8520 <para>
8521 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
8522 </para>
8523 </listitem>
8524
8525 <listitem>
8526 <para>
8527 The type for a generic method can be built only from:
8528   <itemizedlist>
8529   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
8530   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
8531   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
8532   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
8533   </itemizedlist>
8534 Here are some example type signatures for generic methods:
8535 <programlisting>
8536     op1 :: a -> Bool
8537     op2 :: Bool -> (a,Bool)
8538     op3 :: [Int] -> a -> a
8539     op4 :: [a] -> Bool
8540 </programlisting>
8541 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
8542 inside a list.  
8543 </para>
8544 <para>
8545 This restriction is an implementation restriction: we just haven't got around to
8546 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
8547 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
8548 to the ones that are allowed.</para>
8549 </listitem>
8550
8551 <listitem>
8552 <para>
8553 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
8554 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
8555 do so if
8556   <itemizedlist>
8557   <listitem>
8558   <para>
8559   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
8560   </para>
8561   </listitem>
8562   <listitem>
8563   <para>
8564   No constructor of the instance type has unboxed fields.
8565   </para>
8566   </listitem>
8567   </itemizedlist>
8568 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
8569 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
8570 provided you give explicit code to override any generic default methods.
8571 </para>
8572 </listitem>
8573
8574 </itemizedlist>
8575 </para>
8576
8577 <para>
8578 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
8579 what the compiler does with generic declarations.
8580 </para>
8581
8582 </sect2>
8583
8584 <sect2> <title> Another example </title>
8585 <para>
8586 Just to finish with, here's another example I rather like:
8587 <programlisting>
8588   class Tag a where
8589     nCons :: a -> Int
8590     nCons {| Unit |}    _ = 1
8591     nCons {| a :*: b |} _ = 1
8592     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
8593   
8594     tag :: a -> Int
8595     tag {| Unit |}    _       = 1
8596     tag {| a :*: b |} _       = 1   
8597     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
8598     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
8599 </programlisting>
8600 </para>
8601 </sect2>
8602 </sect1>
8603
8604 <sect1 id="monomorphism">
8605 <title>Control over monomorphism</title>
8606
8607 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
8608 carried out at let and where bindings.
8609 </para>
8610
8611 <sect2>
8612 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
8613           <indexterm><primary><option>-XNoMonomorphismRestriction</option></primary></indexterm>
8614
8615 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
8616 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
8617 4.5.5</ulink>
8618 of the Haskell Report)
8619 can be completely switched off by
8620 <option>-XNoMonomorphismRestriction</option>.
8621 </para>
8622 </sect2>
8623
8624 <sect2>
8625 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
8626           <indexterm><primary><option>-XNoMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8627           <indexterm><primary><option>-XMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8628
8629           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
8630           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
8631             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
8632             and is not a simple variable.  For example:
8633 <programlisting>
8634   f x = x                    -- Not a pattern binding
8635   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
8636   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
8637
8638   (g,h) = e                  -- A pattern binding
8639   (f) = e                    -- A pattern binding
8640   [x] = e                    -- A pattern binding
8641 </programlisting>
8642 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
8643 default</emphasis>.  Use <option>-XNoMonoPatBinds</option> to recover the
8644 standard behaviour.
8645 </para>
8646 </sect2>
8647 </sect1>
8648
8649
8650
8651 <!-- Emacs stuff:
8652      ;;; Local Variables: ***
8653      ;;; mode: xml ***
8654      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
8655      ;;; ispell-local-dictionary: "british" ***
8656      ;;; End: ***
8657  -->
8658