Add 'rec' to stmts in a 'do', and deprecate 'mdo'
[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>-XExplicitForAll</option>,
82           <option>-XRankNTypes</option>,
83           <option>-XImpredicativeTypes</option>,
84           <option>-XTypeOperators</option>,
85           <option>-XDoRec</option>,
86           <option>-XParallelListComp</option>,
87           <option>-XEmptyDataDecls</option>,
88           <option>-XKindSignatures</option>,
89           <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
90           <option>-XTypeFamilies</option>.
91             Enabling these options is the <emphasis>only</emphasis> 
92             effect of <option>-fglasgow-exts</option>.
93           We are trying to move away from this portmanteau flag, 
94           and towards enabling features individually.</para>
95
96   </sect1>
97
98 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
99 <sect1 id="primitives">
100   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
101
102 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations;
103 "primitive" in the sense that they cannot be defined in Haskell itself.
104 While you really can use this stuff to write fast code,
105   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
106   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
107   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
108   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
109   about it.</para>
110
111 <para>All these primitive data types and operations are exported by the 
112 library <literal>GHC.Prim</literal>, for which there is 
113 <ulink url="../libraries/ghc-prim/GHC-Prim.html">detailed online documentation</ulink>.
114 (This documentation is generated from the file <filename>compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.)
115 </para>
116 <para>
117 If you want to mention any of the primitive data types or operations in your
118 program, you must first import <literal>GHC.Prim</literal> to bring them
119 into scope.  Many of them have names ending in "&num;", and to mention such
120 names you need the <option>-XMagicHash</option> extension (<xref linkend="magic-hash"/>).
121 </para>
122
123 <para>The primops make extensive use of <link linkend="glasgow-unboxed">unboxed types</link> 
124 and <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link>, which
125 we briefly summarise here. </para>
126   
127 <sect2 id="glasgow-unboxed">
128 <title>Unboxed types
129 </title>
130
131 <para>
132 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
133 </para>
134
135 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
136 that values of that type are represented by a pointer to a heap
137 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
138 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
139 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
140 allocation are involved.
141 </para>
142
143 <para>
144 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
145 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
146 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
147 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
148 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
149 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
150 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
151 know and love&mdash;usually one instruction.
152 </para>
153
154 <para>
155 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
156 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
157 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
158 bottom.  We use the convention (but it is only a convention) 
159 that primitive types, values, and
160 operations have a <literal>&num;</literal> suffix (see <xref linkend="magic-hash"/>).
161 For some primitive types we have special syntax for literals, also
162 described in the <link linkend="magic-hash">same section</link>.
163 </para>
164
165 <para>
166 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
167 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
168 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
169 a primitive value might be represented by a pointer to a
170 heap-allocated object.  Examples include
171 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
172 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
173 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
174 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
175 represents a primitive value, then it really does point to that value:
176 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
177 other end of the pointer than the primitive value.
178 A numerically-intensive program using unboxed types can
179 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
180 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
181 </para>
182
183 <para>
184 There are some restrictions on the use of primitive types:
185 <itemizedlist>
186 <listitem><para>The main restriction
187 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
188 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
189 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
190 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
191 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
192 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
193 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
194 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
195 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
196 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
197 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
198 </para>
199 </listitem>
200 <listitem><para> You cannot define a newtype whose representation type
201 (the argument type of the data constructor) is an unboxed type.  Thus,
202 this is illegal:
203 <programlisting>
204   newtype A = MkA Int#
205 </programlisting>
206 </para></listitem>
207 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
208 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
209 </para></listitem>
210 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
211 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
212 </para></listitem>
213 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
214 non-top-level) pattern binding, but you must make any such pattern-match
215 strict.  For example, rather than:
216 <programlisting>
217   data Foo = Foo Int Int#
218
219   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
220 </programlisting>
221 you must write:
222 <programlisting>
223   data Foo = Foo Int Int#
224
225   f x = let !(Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
226 </programlisting>
227 since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>.
228 </para>
229 </listitem>
230 </itemizedlist>
231 </para>
232
233 </sect2>
234
235 <sect2 id="unboxed-tuples">
236 <title>Unboxed Tuples
237 </title>
238
239 <para>
240 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
241 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
242 unboxed tuple looks like this:
243 </para>
244
245 <para>
246
247 <programlisting>
248 (# e_1, ..., e_n #)
249 </programlisting>
250
251 </para>
252
253 <para>
254 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
255 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
256 the same.
257 </para>
258
259 <para>
260 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
261 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
262 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
263 components are put directly into registers or on the stack; the
264 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
265 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
266 tuples.
267 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
268 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
269 </para>
270
271 <para>
272 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
273 <itemizedlist>
274 <listitem>
275
276 <para>
277 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
278 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
279 structures or passed to polymorphic functions.
280
281 </para>
282 </listitem>
283 <listitem>
284
285 <para>
286 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
287 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
288
289
290 <programlisting>
291   data Foo = Foo (# Int, Int #)
292
293   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
294   f x = x
295
296   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
297   g (# a,b #) = a
298
299   h x = let y = (# x,x #) in ...
300 </programlisting>
301 </para>
302 </listitem>
303 </itemizedlist>
304 </para>
305 <para>
306 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
307 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
308 <programlisting>
309   f x y = (# x+1, y-1 #)
310   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
311 </programlisting>
312 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
313 <programlisting>
314   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
315 </programlisting>
316 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
317 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
318 above example desugars like this:
319 <programlisting>
320   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
321             p = fst t
322             q = snd t
323         in ..body..
324 </programlisting>
325 Indeed, the bindings can even be recursive.
326 </para>
327
328 </sect2>
329 </sect1>
330
331
332 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
333
334 <sect1 id="syntax-extns">
335 <title>Syntactic extensions</title>
336  
337     <sect2 id="unicode-syntax">
338       <title>Unicode syntax</title>
339       <para>The language
340       extension <option>-XUnicodeSyntax</option><indexterm><primary><option>-XUnicodeSyntax</option></primary></indexterm>
341       enables Unicode characters to be used to stand for certain ASCII
342       character sequences.  The following alternatives are provided:</para>
343
344       <informaltable>
345         <tgroup cols="2" align="left" colsep="1" rowsep="1">
346           <thead>
347             <row>
348               <entry>ASCII</entry>
349               <entry>Unicode alternative</entry>
350               <entry>Code point</entry>
351               <entry>Name</entry>
352             </row>
353           </thead>
354           <tbody>
355             <row>
356               <entry><literal>::</literal></entry>
357               <entry>::</entry> <!-- no special char, apparently -->
358               <entry>0x2237</entry>
359               <entry>PROPORTION</entry>
360             </row>
361           </tbody>
362           <tbody>
363             <row>
364               <entry><literal>=&gt;</literal></entry>
365               <entry>&rArr;</entry>
366               <entry>0x21D2</entry>
367               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW</entry>
368             </row>
369           </tbody>
370           <tbody>
371             <row>
372               <entry><literal>forall</literal></entry>
373               <entry>&forall;</entry>
374               <entry>0x2200</entry>
375               <entry>FOR ALL</entry>
376             </row>
377           </tbody>
378           <tbody>
379             <row>
380               <entry><literal>-&gt;</literal></entry>
381               <entry>&rarr;</entry>
382               <entry>0x2192</entry>
383               <entry>RIGHTWARDS ARROW</entry>
384             </row>
385           </tbody>
386           <tbody>
387             <row>
388               <entry><literal>&lt;-</literal></entry>
389               <entry>&larr;</entry>
390               <entry>0x2190</entry>
391               <entry>LEFTWARDS ARROW</entry>
392             </row>
393           </tbody>
394           <tbody>
395             <row>
396               <entry>..</entry>
397               <entry>&hellip;</entry>
398               <entry>0x22EF</entry>
399               <entry>MIDLINE HORIZONTAL ELLIPSIS</entry>
400             </row>
401           </tbody>
402         </tgroup>
403       </informaltable>
404     </sect2>
405
406     <sect2 id="magic-hash">
407       <title>The magic hash</title>
408       <para>The language extension <option>-XMagicHash</option> allows "&num;" as a
409         postfix modifier to identifiers.  Thus, "x&num;" is a valid variable, and "T&num;" is
410         a valid type constructor or data constructor.</para>
411
412       <para>The hash sign does not change sematics at all.  We tend to use variable
413         names ending in "&num;" for unboxed values or types (e.g. <literal>Int&num;</literal>), 
414         but there is no requirement to do so; they are just plain ordinary variables.
415         Nor does the <option>-XMagicHash</option> extension bring anything into scope.
416         For example, to bring <literal>Int&num;</literal> into scope you must 
417         import <literal>GHC.Prim</literal> (see <xref linkend="primitives"/>); 
418         the <option>-XMagicHash</option> extension
419         then allows you to <emphasis>refer</emphasis> to the <literal>Int&num;</literal>
420         that is now in scope.</para>
421       <para> The <option>-XMagicHash</option> also enables some new forms of literals (see <xref linkend="glasgow-unboxed"/>):
422         <itemizedlist> 
423           <listitem><para> <literal>'x'&num;</literal> has type <literal>Char&num;</literal></para> </listitem>
424           <listitem><para> <literal>&quot;foo&quot;&num;</literal> has type <literal>Addr&num;</literal></para> </listitem>
425           <listitem><para> <literal>3&num;</literal> has type <literal>Int&num;</literal>. In general,
426           any Haskell 98 integer lexeme followed by a <literal>&num;</literal> is an <literal>Int&num;</literal> literal, e.g.
427             <literal>-0x3A&num;</literal> as well as <literal>32&num;</literal></para>.</listitem>
428           <listitem><para> <literal>3&num;&num;</literal> has type <literal>Word&num;</literal>. In general,
429           any non-negative Haskell 98 integer lexeme followed by <literal>&num;&num;</literal> 
430               is a <literal>Word&num;</literal>. </para> </listitem>
431           <listitem><para> <literal>3.2&num;</literal> has type <literal>Float&num;</literal>.</para> </listitem>
432           <listitem><para> <literal>3.2&num;&num;</literal> has type <literal>Double&num;</literal></para> </listitem>
433           </itemizedlist>
434       </para>
435    </sect2>
436
437     <sect2 id="new-qualified-operators">
438       <title>New qualified operator syntax</title>
439
440       <para>A new syntax for referencing qualified operators is
441         planned to be introduced by Haskell', and is enabled in GHC
442         with
443         the <option>-XNewQualifiedOperators</option><indexterm><primary><option>-XNewQualifiedOperators</option></primary></indexterm>
444         option.  In the new syntax, the prefix form of a qualified
445         operator is
446         written <literal><replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>
447         (in Haskell 98 this would
448         be <literal>(<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>),
449         and the infix form is
450         written <literal>`<replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)`</literal>
451         (in Haskell 98 this would
452         be <literal>`<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>`</literal>.
453         For example:
454 <programlisting>
455   add x y = Prelude.(+) x y
456   subtract y = (`Prelude.(-)` y)
457 </programlisting>
458         The new form of qualified operators is intended to regularise
459         the syntax by eliminating odd cases
460         like <literal>Prelude..</literal>.  For example,
461         when <literal>NewQualifiedOperators</literal> is on, it is possible to
462         write the enumerated sequence <literal>[Monday..]</literal>
463         without spaces, whereas in Haskell 98 this would be a
464         reference to the operator &lsquo;<literal>.</literal>&lsquo;
465         from module <literal>Monday</literal>.</para>
466
467       <para>When <option>-XNewQualifiedOperators</option> is on, the old Haskell
468         98 syntax for qualified operators is not accepted, so this
469         option may cause existing Haskell 98 code to break.</para>
470
471     </sect2>
472         
473
474     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
475
476
477     <sect2 id="hierarchical-modules">
478       <title>Hierarchical Modules</title>
479
480       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
481       names: a module name is allowed to contain a dot
482       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
483       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
484       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
485       more flexible hierarchy of modules.</para>
486
487       <para>This extension has very little impact on the language
488       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
489       qualified, so you can just think of the fully qualified module
490       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
491       means that the full module name must be given after the
492       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
493       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
494       begin</para>
495
496 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
497
498
499       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
500       keyword to save some typing when using qualified names with
501       hierarchical modules.  For example:</para>
502
503 <programlisting>
504 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
505 </programlisting>
506
507       <para>For details on how GHC searches for source and interface
508       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
509       linkend="search-path"/>.</para>
510
511       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
512       hierarchically; see the accompanying <ulink
513       url="../libraries/index.html">library
514       documentation</ulink>.  More libraries to install are available
515       from <ulink
516       url="http://hackage.haskell.org/packages/hackage.html">HackageDB</ulink>.</para>
517     </sect2>
518
519     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
520
521 <sect2 id="pattern-guards">
522 <title>Pattern guards</title>
523
524 <para>
525 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
526 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.)
527 </para>
528
529 <para>
530 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
531 lookup operation:
532
533 <programlisting>
534 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
535 </programlisting>
536
537 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
538 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
539 </para>
540
541 <programlisting>
542 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
543 | otherwise  = var1 + var2
544 where
545   m1 = lookup env var1
546   m2 = lookup env var2
547   ok1 = maybeToBool m1
548   ok2 = maybeToBool m2
549   val1 = expectJust m1
550   val2 = expectJust m2
551 </programlisting>
552
553 <para>
554 The auxiliary functions are 
555 </para>
556
557 <programlisting>
558 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
559 maybeToBool (Just x) = True
560 maybeToBool Nothing  = False
561
562 expectJust :: Maybe a -&gt; a
563 expectJust (Just x) = x
564 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
565 </programlisting>
566
567 <para>
568 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
569 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
570 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
571 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
572 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
573 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
574 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
575 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
576 </para>
577
578 <para>
579 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
580 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
581 to write clunky would be to use case expressions:
582 </para>
583
584 <programlisting>
585 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
586   Nothing -&gt; fail
587   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
588     Nothing -&gt; fail
589     Just val2 -&gt; val1 + val2
590 where
591   fail = var1 + var2
592 </programlisting>
593
594 <para>
595 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
596 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
597 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
598 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
599 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
600 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
601 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
602 tends to become more and more indented. 
603 </para>
604
605 <para>
606 Here is how I would write clunky:
607 </para>
608
609 <programlisting>
610 clunky env var1 var2
611   | Just val1 &lt;- lookup env var1
612   , Just val2 &lt;- lookup env var2
613   = val1 + val2
614 ...other equations for clunky...
615 </programlisting>
616
617 <para>
618 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
619 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
620 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
621 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
622 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
623 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
624 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
625 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
626 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
627 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
628 </para>
629
630 <para>
631 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
632 with among the pattern guards.  For example:
633 </para>
634
635 <programlisting>
636 f x | [y] &lt;- x
637     , y > 3
638     , Just z &lt;- h y
639     = ...
640 </programlisting>
641
642 <para>
643 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
644 qualifier list has just one element, a boolean expression.
645 </para>
646 </sect2>
647
648     <!-- ===================== View patterns ===================  -->
649
650 <sect2 id="view-patterns">
651 <title>View patterns
652 </title>
653
654 <para>
655 View patterns are enabled by the flag <literal>-XViewPatterns</literal>.
656 More information and examples of view patterns can be found on the
657 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/ViewPatterns">Wiki
658 page</ulink>.
659 </para>
660
661 <para>
662 View patterns are somewhat like pattern guards that can be nested inside
663 of other patterns.  They are a convenient way of pattern-matching
664 against values of abstract types. For example, in a programming language
665 implementation, we might represent the syntax of the types of the
666 language as follows:
667
668 <programlisting>
669 type Typ
670  
671 data TypView = Unit
672              | Arrow Typ Typ
673
674 view :: Type -> TypeView
675
676 -- additional operations for constructing Typ's ...
677 </programlisting>
678
679 The representation of Typ is held abstract, permitting implementations
680 to use a fancy representation (e.g., hash-consing to manage sharing).
681
682 Without view patterns, using this signature a little inconvenient: 
683 <programlisting>
684 size :: Typ -> Integer
685 size t = case view t of
686   Unit -> 1
687   Arrow t1 t2 -> size t1 + size t2
688 </programlisting>
689
690 It is necessary to iterate the case, rather than using an equational
691 function definition. And the situation is even worse when the matching
692 against <literal>t</literal> is buried deep inside another pattern.
693 </para>
694
695 <para>
696 View patterns permit calling the view function inside the pattern and
697 matching against the result: 
698 <programlisting>
699 size (view -> Unit) = 1
700 size (view -> Arrow t1 t2) = size t1 + size t2
701 </programlisting>
702
703 That is, we add a new form of pattern, written
704 <replaceable>expression</replaceable> <literal>-></literal>
705 <replaceable>pattern</replaceable> that means "apply the expression to
706 whatever we're trying to match against, and then match the result of
707 that application against the pattern". The expression can be any Haskell
708 expression of function type, and view patterns can be used wherever
709 patterns are used.
710 </para>
711
712 <para>
713 The semantics of a pattern <literal>(</literal>
714 <replaceable>exp</replaceable> <literal>-></literal>
715 <replaceable>pat</replaceable> <literal>)</literal> are as follows:
716
717 <itemizedlist>
718
719 <listitem> Scoping:
720
721 <para>The variables bound by the view pattern are the variables bound by
722 <replaceable>pat</replaceable>.
723 </para>
724
725 <para>
726 Any variables in <replaceable>exp</replaceable> are bound occurrences,
727 but variables bound "to the left" in a pattern are in scope.  This
728 feature permits, for example, one argument to a function to be used in
729 the view of another argument.  For example, the function
730 <literal>clunky</literal> from <xref linkend="pattern-guards" /> can be
731 written using view patterns as follows:
732
733 <programlisting>
734 clunky env (lookup env -> Just val1) (lookup env -> Just val2) = val1 + val2
735 ...other equations for clunky...
736 </programlisting>
737 </para>
738
739 <para>
740 More precisely, the scoping rules are: 
741 <itemizedlist>
742 <listitem>
743 <para>
744 In a single pattern, variables bound by patterns to the left of a view
745 pattern expression are in scope. For example:
746 <programlisting>
747 example :: Maybe ((String -> Integer,Integer), String) -> Bool
748 example Just ((f,_), f -> 4) = True
749 </programlisting>
750
751 Additionally, in function definitions, variables bound by matching earlier curried
752 arguments may be used in view pattern expressions in later arguments:
753 <programlisting>
754 example :: (String -> Integer) -> String -> Bool
755 example f (f -> 4) = True
756 </programlisting>
757 That is, the scoping is the same as it would be if the curried arguments
758 were collected into a tuple.  
759 </para>
760 </listitem>
761
762 <listitem>
763 <para>
764 In mutually recursive bindings, such as <literal>let</literal>,
765 <literal>where</literal>, or the top level, view patterns in one
766 declaration may not mention variables bound by other declarations.  That
767 is, each declaration must be self-contained.  For example, the following
768 program is not allowed:
769 <programlisting>
770 let {(x -> y) = e1 ;
771      (y -> x) = e2 } in x
772 </programlisting>
773
774 (We may lift this
775 restriction in the future; the only cost is that type checking patterns
776 would get a little more complicated.)  
777
778
779 </para>
780 </listitem>
781 </itemizedlist>
782
783 </para>
784 </listitem>
785
786 <listitem><para> Typing: If <replaceable>exp</replaceable> has type
787 <replaceable>T1</replaceable> <literal>-></literal>
788 <replaceable>T2</replaceable> and <replaceable>pat</replaceable> matches
789 a <replaceable>T2</replaceable>, then the whole view pattern matches a
790 <replaceable>T1</replaceable>.
791 </para></listitem>
792
793 <listitem><para> Matching: To the equations in Section 3.17.3 of the
794 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/">Haskell 98
795 Report</ulink>, add the following:
796 <programlisting>
797 case v of { (e -> p) -> e1 ; _ -> e2 } 
798  = 
799 case (e v) of { p -> e1 ; _ -> e2 }
800 </programlisting>
801 That is, to match a variable <replaceable>v</replaceable> against a pattern
802 <literal>(</literal> <replaceable>exp</replaceable>
803 <literal>-></literal> <replaceable>pat</replaceable>
804 <literal>)</literal>, evaluate <literal>(</literal>
805 <replaceable>exp</replaceable> <replaceable> v</replaceable>
806 <literal>)</literal> and match the result against
807 <replaceable>pat</replaceable>.  
808 </para></listitem>
809
810 <listitem><para> Efficiency: When the same view function is applied in
811 multiple branches of a function definition or a case expression (e.g.,
812 in <literal>size</literal> above), GHC makes an attempt to collect these
813 applications into a single nested case expression, so that the view
814 function is only applied once.  Pattern compilation in GHC follows the
815 matrix algorithm described in Chapter 4 of <ulink
816 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/slpj-book-1987/">The
817 Implementation of Functional Programming Languages</ulink>.  When the
818 top rows of the first column of a matrix are all view patterns with the
819 "same" expression, these patterns are transformed into a single nested
820 case.  This includes, for example, adjacent view patterns that line up
821 in a tuple, as in
822 <programlisting>
823 f ((view -> A, p1), p2) = e1
824 f ((view -> B, p3), p4) = e2
825 </programlisting>
826 </para>
827
828 <para> The current notion of when two view pattern expressions are "the
829 same" is very restricted: it is not even full syntactic equality.
830 However, it does include variables, literals, applications, and tuples;
831 e.g., two instances of <literal>view ("hi", "there")</literal> will be
832 collected.  However, the current implementation does not compare up to
833 alpha-equivalence, so two instances of <literal>(x, view x ->
834 y)</literal> will not be coalesced.
835 </para>
836
837 </listitem>
838
839 </itemizedlist>
840 </para>
841
842 </sect2>
843
844     <!-- ===================== n+k patterns ===================  -->
845
846 <sect2 id="n-k-patterns">
847 <title>n+k patterns</title>
848 <indexterm><primary><option>-XNoNPlusKPatterns</option></primary></indexterm>
849
850 <para>
851 <literal>n+k</literal> pattern support is enabled by default. To disable
852 it, you can use the <option>-XNoNPlusKPatterns</option> flag.
853 </para>
854
855 </sect2>
856
857     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
858
859 <sect2 id="mdo-notation">
860 <title>The recursive do-notation
861 </title>
862
863 <para>
864 The do-notation of Haskell 98 does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
865 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
866 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
867 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
868 the do-notation.  The <option>-XDoRec</option> flag provides the necessary syntactic support.
869 </para>
870 <para>
871 Here is a simple (albeit contrived) example:
872 <programlisting>
873 {-# LANGUAGE DoRec #-}
874 import Control.Monad.Fix
875
876 justOnes = do { rec { xs &lt;- Just (1:xs) }
877               ; return (map negate xs) }
878 </programlisting>
879 The <literal>rec</literal>
880 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [-1,-1,-1,...</literal>.
881 </para>
882 <para>
883 The background and motivation for recusrive do-notation is described in
884 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>,
885 by Levent Erkok, John Launchbury,
886 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
887 This paper is essential reading for anyone making non-trivial use of mdo-notation,
888 and we do not repeat it here.  However, note that GHC uses a different syntax than the one
889 in the paper.
890 </para>
891
892 <sect3>
893 <title>Details of recursive do-notation</title>
894 <para>
895 The recursive do-notation is enabled with the flag <option>-XDoRec</option> or, equivalently,
896 the LANGUAGE pragma <option>DoRec</option>.  It introduces the single new keyword "<literal>rec</literal>",
897 which wraps a mutually-recusrive group of monadic statements,
898 producing a single statement.  Similar to a <literal>let</literal>
899 statement, the variables bound in the <literal>rec</literal> are 
900 visible throughout the <literal>rec</literal> group, and below it.
901 </para>
902 <para>
903 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class.  Its definition is:
904 </para>
905 <programlisting>
906 class Monad m => MonadFix m where
907    mfix :: (a -> m a) -> m a
908 </programlisting>
909 <para>
910 The function <literal>mfix</literal>
911 dictates how the required recursion operation should be performed.  For example, 
912 <literal>justOnes</literal> desugars as follows:
913 <programlisting>
914 justOnes = do { xs &lt;- mfix (\xs' -&gt; do { xs &lt;- Just (1:xs'); return xs })
915               ; return (map negate xs) }
916 </programlisting>
917 In general, a <literal>rec</literal> statment <literal>rec <replaceable>ss</replaceable></literal>
918 is desugared to the statement
919 <programlisting>
920   <replaceable>vs</replaceable> &lt;- mfix (\~<replaceable>vs</replaceable> -&gt; do { <replaceable>ss</replaceable>
921                                                                    ; return <replaceable>vs</replaceable> })
922 </programlisting>
923 where <replaceable>vs</replaceable> is a tuple of the varaibles bound by <replaceable>ss</replaceable>.
924 Moreover, the original <literal>rec</literal> typechecks exactly 
925 when the above desugared version would do so.  (For example, this means that 
926 the variables <replaceable>vs</replaceable> are all monomorphic in the statements
927 following the <literal>rec</literal>, because they are bound by a lambda.)
928 </para>
929 <para>
930 Here are some other important points in using the recursive-do notation:
931 <itemizedlist>
932 <listitem><para>
933 It is enabled with the flag <literal>-XDoRec</literal>, which is in turn implied by
934 <literal>-fglasgow-exts</literal>.
935 </para></listitem>
936
937 <listitem><para>
938 If recursive bindings are required for a monad,
939 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
940 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
941 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
942 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
943 </para></listitem>
944
945 <listitem><para>
946 Unlike ordinary do-notation, but like <literal>let</literal> and <literal>where</literal> bindings,
947 name shadowing is not allowed; that is, all the names bound in a single <literal>mdo</literal> must
948 be distinct (Section 3.3 of the paper).
949 </para></listitem>
950
951 <listitem><para>
952 Similar to let-bindings, GHC implements the segmentation technique described in Section 3.2 of
953 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>,
954 to break up a single <literal>rec</literal> statement into a sequenc e of statements with
955 <literal>rec</literal> groups of minimal size.  This 
956 improves polymorphism, and reduces the size of the recursive "knot".
957 </para></listitem>
958 </itemizedlist>
959 </para>
960 </sect3>
961
962 <sect3> <title Mdo-notation (deprecated) </title>
963
964 <para> GHC used to support the flag <option>-XREecursiveDo</option>,
965 which enabled the keyword <literal>mdo</literal>, precisely as described in
966 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>,
967 but this is now deprecated.  Instead of <literal>mdo { Q; e }</literal>, write
968 <literal>do { rec Q; e }</literal>.
969 </para>
970 <para>
971 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
972 of the existing documents) used the name
973 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
974 This name is not supported by GHC.
975 </para>
976 </sect3>
977
978 </sect2>
979
980
981    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
982
983   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
984     <title>Parallel List Comprehensions</title>
985     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
986     </indexterm>
987     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
988     </indexterm>
989
990     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
991     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
992     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
993     extend this to include the zipWith family.</para>
994
995     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
996     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
997     example, the following zips together two lists:</para>
998
999 <programlisting>
1000    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
1001 </programlisting>
1002
1003     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
1004     zip, in that the resulting list will have the same length as the
1005     shortest branch.</para>
1006
1007     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
1008     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
1009
1010     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
1011
1012 <programlisting>
1013    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
1014        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
1015        ... 
1016    ] 
1017 </programlisting>
1018
1019     <para>This will be translated to: </para>
1020
1021 <programlisting>
1022    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
1023                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
1024                                          ... 
1025    ] 
1026 </programlisting>
1027
1028     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
1029     branches.</para>
1030
1031   </sect2>
1032   
1033   <!-- ===================== TRANSFORM LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
1034
1035   <sect2 id="generalised-list-comprehensions">
1036     <title>Generalised (SQL-Like) List Comprehensions</title>
1037     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>generalised</secondary>
1038     </indexterm>
1039     <indexterm><primary>extended list comprehensions</primary>
1040     </indexterm>
1041     <indexterm><primary>group</primary></indexterm>
1042     <indexterm><primary>sql</primary></indexterm>
1043
1044
1045     <para>Generalised list comprehensions are a further enhancement to the
1046     list comprehension syntactic sugar to allow operations such as sorting
1047     and grouping which are familiar from SQL.   They are fully described in the
1048         paper <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/list-comp">
1049           Comprehensive comprehensions: comprehensions with "order by" and "group by"</ulink>,
1050     except that the syntax we use differs slightly from the paper.</para>
1051 <para>The extension is enabled with the flag <option>-XTransformListComp</option>.</para>
1052 <para>Here is an example: 
1053 <programlisting>
1054 employees = [ ("Simon", "MS", 80)
1055 , ("Erik", "MS", 100)
1056 , ("Phil", "Ed", 40)
1057 , ("Gordon", "Ed", 45)
1058 , ("Paul", "Yale", 60)]
1059
1060 output = [ (the dept, sum salary)
1061 | (name, dept, salary) &lt;- employees
1062 , then group by dept
1063 , then sortWith by (sum salary)
1064 , then take 5 ]
1065 </programlisting>
1066 In this example, the list <literal>output</literal> would take on 
1067     the value:
1068     
1069 <programlisting>
1070 [("Yale", 60), ("Ed", 85), ("MS", 180)]
1071 </programlisting>
1072 </para>
1073 <para>There are three new keywords: <literal>group</literal>, <literal>by</literal>, and <literal>using</literal>.
1074 (The function <literal>sortWith</literal> is not a keyword; it is an ordinary
1075 function that is exported by <literal>GHC.Exts</literal>.)</para>
1076
1077 <para>There are five new forms of comprehension qualifier,
1078 all introduced by the (existing) keyword <literal>then</literal>:
1079     <itemizedlist>
1080     <listitem>
1081     
1082 <programlisting>
1083 then f
1084 </programlisting>
1085
1086     This statement requires that <literal>f</literal> have the type <literal>
1087     forall a. [a] -> [a]</literal>. You can see an example of its use in the
1088     motivating example, as this form is used to apply <literal>take 5</literal>.
1089     
1090     </listitem>
1091     
1092     
1093     <listitem>
1094 <para>
1095 <programlisting>
1096 then f by e
1097 </programlisting>
1098
1099     This form is similar to the previous one, but allows you to create a function
1100     which will be passed as the first argument to f. As a consequence f must have 
1101     the type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [a]</literal>. As you can see
1102     from the type, this function lets f &quot;project out&quot; some information 
1103     from the elements of the list it is transforming.</para>
1104
1105     <para>An example is shown in the opening example, where <literal>sortWith</literal> 
1106     is supplied with a function that lets it find out the <literal>sum salary</literal> 
1107     for any item in the list comprehension it transforms.</para>
1108
1109     </listitem>
1110
1111
1112     <listitem>
1113
1114 <programlisting>
1115 then group by e using f
1116 </programlisting>
1117
1118     <para>This is the most general of the grouping-type statements. In this form,
1119     f is required to have type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [[a]]</literal>.
1120     As with the <literal>then f by e</literal> case above, the first argument
1121     is a function supplied to f by the compiler which lets it compute e on every
1122     element of the list being transformed. However, unlike the non-grouping case,
1123     f additionally partitions the list into a number of sublists: this means that
1124     at every point after this statement, binders occurring before it in the comprehension
1125     refer to <emphasis>lists</emphasis> of possible values, not single values. To help understand
1126     this, let's look at an example:</para>
1127     
1128 <programlisting>
1129 -- This works similarly to groupWith in GHC.Exts, but doesn't sort its input first
1130 groupRuns :: Eq b => (a -> b) -> [a] -> [[a]]
1131 groupRuns f = groupBy (\x y -> f x == f y)
1132
1133 output = [ (the x, y)
1134 | x &lt;- ([1..3] ++ [1..2])
1135 , y &lt;- [4..6]
1136 , then group by x using groupRuns ]
1137 </programlisting>
1138
1139     <para>This results in the variable <literal>output</literal> taking on the value below:</para>
1140
1141 <programlisting>
1142 [(1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6]), (3, [4, 5, 6]), (1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6])]
1143 </programlisting>
1144
1145     <para>Note that we have used the <literal>the</literal> function to change the type 
1146     of x from a list to its original numeric type. The variable y, in contrast, is left 
1147     unchanged from the list form introduced by the grouping.</para>
1148
1149     </listitem>
1150
1151     <listitem>
1152
1153 <programlisting>
1154 then group by e
1155 </programlisting>
1156
1157     <para>This form of grouping is essentially the same as the one described above. However,
1158     since no function to use for the grouping has been supplied it will fall back on the
1159     <literal>groupWith</literal> function defined in 
1160     <ulink url="../libraries/base/GHC-Exts.html"><literal>GHC.Exts</literal></ulink>. This
1161     is the form of the group statement that we made use of in the opening example.</para>
1162
1163     </listitem>
1164     
1165     
1166     <listitem>
1167
1168 <programlisting>
1169 then group using f
1170 </programlisting>
1171
1172     <para>With this form of the group statement, f is required to simply have the type
1173     <literal>forall a. [a] -> [[a]]</literal>, which will be used to group up the
1174     comprehension so far directly. An example of this form is as follows:</para>
1175     
1176 <programlisting>
1177 output = [ x
1178 | y &lt;- [1..5]
1179 , x &lt;- "hello"
1180 , then group using inits]
1181 </programlisting>
1182
1183     <para>This will yield a list containing every prefix of the word "hello" written out 5 times:</para>
1184
1185 <programlisting>
1186 ["","h","he","hel","hell","hello","helloh","hellohe","hellohel","hellohell","hellohello","hellohelloh",...]
1187 </programlisting>
1188
1189     </listitem>
1190 </itemizedlist>
1191 </para>
1192   </sect2>
1193
1194    <!-- ===================== REBINDABLE SYNTAX ===================  -->
1195
1196 <sect2 id="rebindable-syntax">
1197 <title>Rebindable syntax and the implicit Prelude import</title>
1198
1199  <para><indexterm><primary>-XNoImplicitPrelude
1200  option</primary></indexterm> GHC normally imports
1201  <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
1202  rather it didn't, then give it a
1203  <option>-XNoImplicitPrelude</option> option.  The idea is
1204  that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
1205  call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
1206  namespace is flat, and you must not conflict with any
1207  Prelude module.)</para>
1208
1209             <para>Suppose you are importing a Prelude of your own
1210               in order to define your own numeric class
1211             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
1212             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
1213             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
1214             So the <option>-XNoImplicitPrelude</option> 
1215               flag <emphasis>also</emphasis> causes
1216             the following pieces of built-in syntax to refer to
1217             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
1218             versions:
1219             <itemizedlist>
1220               <listitem>
1221                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
1222                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
1223                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
1224 </para> </listitem>         
1225
1226       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
1227           except that the translation is 
1228               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
1229 </para> </listitem>         
1230
1231           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
1232               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
1233 </para> </listitem>         
1234
1235           <listitem><para>The subtraction operation, and the
1236           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
1237               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
1238               </para></listitem>
1239
1240               <listitem>
1241                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
1242                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
1243                 patterns, and expressions.
1244               </para></listitem>
1245
1246               <listitem>
1247           <para>"Do" notation is translated using whatever
1248               functions <literal>(>>=)</literal>,
1249               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
1250               are in scope (not the Prelude
1251               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
1252               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
1253
1254               <listitem>
1255                 <para>Arrow
1256                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
1257                 uses whatever <literal>arr</literal>,
1258                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
1259                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
1260                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
1261                 other constructs, the types of these functions must match the
1262                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
1263                 to use this, ask!
1264               </para></listitem>
1265             </itemizedlist>
1266 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
1267 even if that is a little unexpected. For example, the 
1268 static semantics of the literal <literal>368</literal>
1269 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
1270 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
1271 <programlisting>
1272 fromInteger :: Integer -> Integer
1273 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
1274 fromInteger :: Num a => a -> Integer
1275 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
1276 </programlisting>
1277 </para>
1278                 
1279              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
1280              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
1281              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
1282              you should be all right.</para>
1283
1284 </sect2>
1285
1286 <sect2 id="postfix-operators">
1287 <title>Postfix operators</title>
1288
1289 <para>
1290   The <option>-XPostfixOperators</option> flag enables a small
1291 extension to the syntax of left operator sections, which allows you to
1292 define postfix operators.  The extension is this: the left section
1293 <programlisting>
1294   (e !)
1295 </programlisting>
1296 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
1297 <programlisting>
1298   ((!) e)
1299 </programlisting>
1300 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
1301 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
1302 <programlisting>
1303   (\y -> (!) e y)
1304 </programlisting>
1305 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
1306 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
1307 postfix.
1308 </para>
1309 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
1310 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
1311
1312 </sect2>
1313
1314 <sect2 id="tuple-sections">
1315 <title>Tuple sections</title>
1316
1317 <para>
1318   The <option>-XTupleSections</option> flag enables Python-style partially applied
1319   tuple constructors. For example, the following program
1320 <programlisting>
1321   (, True)
1322 </programlisting>
1323   is considered to be an alternative notation for the more unwieldy alternative
1324 <programlisting>
1325   \x -> (x, True)
1326 </programlisting>
1327 You can omit any combination of arguments to the tuple, as in the following
1328 <programlisting>
1329   (, "I", , , "Love", , 1337)
1330 </programlisting>
1331 which translates to
1332 <programlisting>
1333   \a b c d -> (a, "I", b, c, "Love", d, 1337)
1334 </programlisting>
1335 </para>
1336
1337 <para>
1338   If you have <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link> enabled, tuple sections
1339   will also be available for them, like so
1340 <programlisting>
1341   (# , True #)
1342 </programlisting>
1343 Because there is no unboxed unit tuple, the following expression
1344 <programlisting>
1345   (# #)
1346 </programlisting>
1347 continues to stand for the unboxed singleton tuple data constructor.
1348 </para>
1349
1350 </sect2>
1351
1352 <sect2 id="disambiguate-fields">
1353 <title>Record field disambiguation</title>
1354 <para>
1355 In record construction and record pattern matching
1356 it is entirely unambiguous which field is referred to, even if there are two different
1357 data types in scope with a common field name.  For example:
1358 <programlisting>
1359 module M where
1360   data S = MkS { x :: Int, y :: Bool }
1361
1362 module Foo where
1363   import M
1364
1365   data T = MkT { x :: Int }
1366   
1367   ok1 (MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1368   ok2 n = MkT { x = n+1 }     -- Unambiguous
1369
1370   bad1 k = k { x = 3 }  -- Ambiguous
1371   bad2 k = x k          -- Ambiguous
1372 </programlisting>
1373 Even though there are two <literal>x</literal>'s in scope,
1374 it is clear that the <literal>x</literal> in the pattern in the
1375 definition of <literal>ok1</literal> can only mean the field
1376 <literal>x</literal> from type <literal>S</literal>. Similarly for
1377 the function <literal>ok2</literal>.  However, in the record update
1378 in <literal>bad1</literal> and the record selection in <literal>bad2</literal>
1379 it is not clear which of the two types is intended.
1380 </para>
1381 <para>
1382 Haskell 98 regards all four as ambiguous, but with the
1383 <option>-XDisambiguateRecordFields</option> flag, GHC will accept
1384 the former two.  The rules are precisely the same as those for instance
1385 declarations in Haskell 98, where the method names on the left-hand side 
1386 of the method bindings in an instance declaration refer unambiguously
1387 to the method of that class (provided they are in scope at all), even
1388 if there are other variables in scope with the same name.
1389 This reduces the clutter of qualified names when you import two
1390 records from different modules that use the same field name.
1391 </para>
1392 <para>
1393 Some details:
1394 <itemizedlist>
1395 <listitem><para>
1396 Field disambiguation can be combined with punning (see <xref linkend="record-puns"/>). For exampe:
1397 <programlisting>
1398 module Foo where
1399   import M
1400   x=True
1401   ok3 (MkS { x }) = x+1   -- Uses both disambiguation and punning
1402 </programlisting>
1403 </para></listitem>
1404
1405 <listitem><para>
1406 With <option>-XDisambiguateRecordFields</option> you can use <emphasis>unqualifed</emphasis>
1407 field names even if the correponding selector is only in scope <emphasis>qualified</emphasis>
1408 For example, assuming the same module <literal>M</literal> as in our earlier example, this is legal:
1409 <programlisting>
1410 module Foo where
1411   import qualified M    -- Note qualified
1412
1413   ok4 (M.MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1414 </programlisting>
1415 Since the constructore <literal>MkS</literal> is only in scope qualified, you must
1416 name it <literal>M.MkS</literal>, but the field <literal>x</literal> does not need
1417 to be qualified even though <literal>M.x</literal> is in scope but <literal>x</literal>
1418 is not.  (In effect, it is qualified by the constructor.)
1419 </para></listitem>
1420 </itemizedlist>
1421 </para>
1422
1423 </sect2>
1424
1425     <!-- ===================== Record puns ===================  -->
1426
1427 <sect2 id="record-puns">
1428 <title>Record puns
1429 </title>
1430
1431 <para>
1432 Record puns are enabled by the flag <literal>-XNamedFieldPuns</literal>.
1433 </para>
1434
1435 <para>
1436 When using records, it is common to write a pattern that binds a
1437 variable with the same name as a record field, such as:
1438
1439 <programlisting>
1440 data C = C {a :: Int}
1441 f (C {a = a}) = a
1442 </programlisting>
1443 </para>
1444
1445 <para>
1446 Record punning permits the variable name to be elided, so one can simply
1447 write
1448
1449 <programlisting>
1450 f (C {a}) = a
1451 </programlisting>
1452
1453 to mean the same pattern as above.  That is, in a record pattern, the
1454 pattern <literal>a</literal> expands into the pattern <literal>a =
1455 a</literal> for the same name <literal>a</literal>.  
1456 </para>
1457
1458 <para>
1459 Note that:
1460 <itemizedlist>
1461 <listitem><para>
1462 Record punning can also be used in an expression, writing, for example,
1463 <programlisting>
1464 let a = 1 in C {a}
1465 </programlisting>
1466 instead of 
1467 <programlisting>
1468 let a = 1 in C {a = a}
1469 </programlisting>
1470 The expansion is purely syntactic, so the expanded right-hand side
1471 expression refers to the nearest enclosing variable that is spelled the
1472 same as the field name.
1473 </para></listitem>
1474
1475 <listitem><para>
1476 Puns and other patterns can be mixed in the same record:
1477 <programlisting>
1478 data C = C {a :: Int, b :: Int}
1479 f (C {a, b = 4}) = a
1480 </programlisting>
1481 </para></listitem>
1482
1483 <listitem><para>
1484 Puns can be used wherever record patterns occur (e.g. in
1485 <literal>let</literal> bindings or at the top-level).  
1486 </para></listitem>
1487
1488 <listitem><para>
1489 A pun on a qualified field name is expanded by stripping off the module qualifier.
1490 For example:
1491 <programlisting>
1492 f (C {M.a}) = a
1493 </programlisting>
1494 means
1495 <programlisting>
1496 f (M.C {M.a = a}) = a
1497 </programlisting>
1498 (This is useful if the field selector <literal>a</literal> for constructor <literal>M.C</literal>
1499 is only in scope in qualified form.)
1500 </para></listitem>
1501 </itemizedlist>
1502 </para>
1503
1504
1505 </sect2>
1506
1507     <!-- ===================== Record wildcards ===================  -->
1508
1509 <sect2 id="record-wildcards">
1510 <title>Record wildcards
1511 </title>
1512
1513 <para>
1514 Record wildcards are enabled by the flag <literal>-XRecordWildCards</literal>.
1515 This flag implies <literal>-XDisambiguateRecordFields</literal>.
1516 </para>
1517
1518 <para>
1519 For records with many fields, it can be tiresome to write out each field
1520 individually in a record pattern, as in
1521 <programlisting>
1522 data C = C {a :: Int, b :: Int, c :: Int, d :: Int}
1523 f (C {a = 1, b = b, c = c, d = d}) = b + c + d
1524 </programlisting>
1525 </para>
1526
1527 <para>
1528 Record wildcard syntax permits a "<literal>..</literal>" in a record
1529 pattern, where each elided field <literal>f</literal> is replaced by the
1530 pattern <literal>f = f</literal>.  For example, the above pattern can be
1531 written as
1532 <programlisting>
1533 f (C {a = 1, ..}) = b + c + d
1534 </programlisting>
1535 </para>
1536
1537 <para>
1538 More details:
1539 <itemizedlist>
1540 <listitem><para>
1541 Wildcards can be mixed with other patterns, including puns
1542 (<xref linkend="record-puns"/>); for example, in a pattern <literal>C {a
1543 = 1, b, ..})</literal>.  Additionally, record wildcards can be used
1544 wherever record patterns occur, including in <literal>let</literal>
1545 bindings and at the top-level.  For example, the top-level binding
1546 <programlisting>
1547 C {a = 1, ..} = e
1548 </programlisting>
1549 defines <literal>b</literal>, <literal>c</literal>, and
1550 <literal>d</literal>.
1551 </para></listitem>
1552
1553 <listitem><para>
1554 Record wildcards can also be used in expressions, writing, for example,
1555 <programlisting>
1556 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {..}
1557 </programlisting>
1558 in place of
1559 <programlisting>
1560 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {a=a, b=b, c=c, d=d}
1561 </programlisting>
1562 The expansion is purely syntactic, so the record wildcard
1563 expression refers to the nearest enclosing variables that are spelled
1564 the same as the omitted field names.
1565 </para></listitem>
1566
1567 <listitem><para>
1568 The "<literal>..</literal>" expands to the missing 
1569 <emphasis>in-scope</emphasis> record fields, where "in scope"
1570 includes both unqualified and qualified-only.  
1571 Any fields that are not in scope are not filled in.  For example
1572 <programlisting>
1573 module M where
1574   data R = R { a,b,c :: Int }
1575 module X where
1576   import qualified M( R(a,b) )
1577   f a b = R { .. }
1578 </programlisting>
1579 The <literal>{..}</literal> expands to <literal>{M.a=a,M.b=b}</literal>,
1580 omitting <literal>c</literal> since it is not in scope at all.
1581 </para></listitem>
1582 </itemizedlist>
1583 </para>
1584
1585 </sect2>
1586
1587     <!-- ===================== Local fixity declarations ===================  -->
1588
1589 <sect2 id="local-fixity-declarations">
1590 <title>Local Fixity Declarations
1591 </title>
1592
1593 <para>A careful reading of the Haskell 98 Report reveals that fixity
1594 declarations (<literal>infix</literal>, <literal>infixl</literal>, and
1595 <literal>infixr</literal>) are permitted to appear inside local bindings
1596 such those introduced by <literal>let</literal> and
1597 <literal>where</literal>.  However, the Haskell Report does not specify
1598 the semantics of such bindings very precisely.
1599 </para>
1600
1601 <para>In GHC, a fixity declaration may accompany a local binding:
1602 <programlisting>
1603 let f = ...
1604     infixr 3 `f`
1605 in 
1606     ...
1607 </programlisting>
1608 and the fixity declaration applies wherever the binding is in scope.
1609 For example, in a <literal>let</literal>, it applies in the right-hand
1610 sides of other <literal>let</literal>-bindings and the body of the
1611 <literal>let</literal>C. Or, in recursive <literal>do</literal>
1612 expressions (<xref linkend="mdo-notation"/>), the local fixity
1613 declarations of a <literal>let</literal> statement scope over other
1614 statements in the group, just as the bound name does.
1615 </para>
1616
1617 <para>
1618 Moreover, a local fixity declaration *must* accompany a local binding of
1619 that name: it is not possible to revise the fixity of name bound
1620 elsewhere, as in
1621 <programlisting>
1622 let infixr 9 $ in ...
1623 </programlisting>
1624
1625 Because local fixity declarations are technically Haskell 98, no flag is
1626 necessary to enable them.
1627 </para>
1628 </sect2>
1629
1630 <sect2 id="package-imports">
1631   <title>Package-qualified imports</title>
1632
1633   <para>With the <option>-XPackageImports</option> flag, GHC allows
1634   import declarations to be qualified by the package name that the
1635     module is intended to be imported from.  For example:</para>
1636
1637 <programlisting>
1638 import "network" Network.Socket
1639 </programlisting>
1640   
1641   <para>would import the module <literal>Network.Socket</literal> from
1642     the package <literal>network</literal> (any version).  This may
1643     be used to disambiguate an import when the same module is
1644     available from multiple packages, or is present in both the
1645     current package being built and an external package.</para>
1646
1647   <para>Note: you probably don't need to use this feature, it was
1648     added mainly so that we can build backwards-compatible versions of
1649     packages when APIs change.  It can lead to fragile dependencies in
1650     the common case: modules occasionally move from one package to
1651     another, rendering any package-qualified imports broken.</para>
1652 </sect2>
1653
1654 <sect2 id="syntax-stolen">
1655 <title>Summary of stolen syntax</title>
1656
1657     <para>Turning on an option that enables special syntax
1658     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
1659     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
1660     become a reserved word.  This section lists the syntax that is
1661     "stolen" by language extensions.
1662      We use
1663     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
1664     (see the Haskell 98 Report).  
1665     We only list syntax changes here that might affect
1666     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
1667     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
1668     cases programs written to use the new syntax would not be
1669     compilable without the option enabled.</para>
1670
1671 <para>There are two classes of special
1672     syntax:
1673
1674     <itemizedlist>
1675       <listitem>
1676         <para>New reserved words and symbols: character sequences
1677         which are no longer available for use as identifiers in the
1678         program.</para>
1679       </listitem>
1680       <listitem>
1681         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
1682         a different meaning when this particular option is turned
1683         on.</para>
1684       </listitem>
1685     </itemizedlist>
1686     
1687 The following syntax is stolen:
1688
1689     <variablelist>
1690       <varlistentry>
1691         <term>
1692           <literal>forall</literal>
1693           <indexterm><primary><literal>forall</literal></primary></indexterm>
1694         </term>
1695         <listitem><para>
1696         Stolen (in types) by: <option>-XExplicitForAll</option>, and hence by
1697             <option>-XScopedTypeVariables</option>,
1698             <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
1699             <option>-XRank2Types</option>,
1700             <option>-XRankNTypes</option>,
1701             <option>-XPolymorphicComponents</option>,
1702             <option>-XExistentialQuantification</option>
1703           </para></listitem>
1704       </varlistentry>
1705
1706       <varlistentry>
1707         <term>
1708           <literal>mdo</literal>
1709           <indexterm><primary><literal>mdo</literal></primary></indexterm>
1710         </term>
1711         <listitem><para>
1712         Stolen by: <option>-XRecursiveDo</option>,
1713           </para></listitem>
1714       </varlistentry>
1715
1716       <varlistentry>
1717         <term>
1718           <literal>foreign</literal>
1719           <indexterm><primary><literal>foreign</literal></primary></indexterm>
1720         </term>
1721         <listitem><para>
1722         Stolen by: <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
1723           </para></listitem>
1724       </varlistentry>
1725
1726       <varlistentry>
1727         <term>
1728           <literal>rec</literal>,
1729           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
1730           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
1731           <literal>&gt;&gt;-</literal>, and <literal>(|</literal>,
1732           <literal>|)</literal> brackets
1733           <indexterm><primary><literal>proc</literal></primary></indexterm>
1734         </term>
1735         <listitem><para>
1736         Stolen by: <option>-XArrows</option>,
1737           </para></listitem>
1738       </varlistentry>
1739
1740       <varlistentry>
1741         <term>
1742           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
1743           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>
1744           <indexterm><primary>implicit parameters</primary></indexterm>
1745         </term>
1746         <listitem><para>
1747         Stolen by: <option>-XImplicitParams</option>,
1748           </para></listitem>
1749       </varlistentry>
1750
1751       <varlistentry>
1752         <term>
1753           <literal>[|</literal>,
1754           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
1755           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
1756           <literal>$(</literal>,
1757           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>
1758           <indexterm><primary>Template Haskell</primary></indexterm>
1759         </term>
1760         <listitem><para>
1761         Stolen by: <option>-XTemplateHaskell</option>,
1762           </para></listitem>
1763       </varlistentry>
1764
1765       <varlistentry>
1766         <term>
1767           <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>|</literal>
1768           <indexterm><primary>quasi-quotation</primary></indexterm>
1769         </term>
1770         <listitem><para>
1771         Stolen by: <option>-XQuasiQuotes</option>,
1772           </para></listitem>
1773       </varlistentry>
1774
1775       <varlistentry>
1776         <term>
1777               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
1778               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
1779               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1780               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1781               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1782               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
1783               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
1784         </term>
1785         <listitem><para>
1786         Stolen by: <option>-XMagicHash</option>,
1787           </para></listitem>
1788       </varlistentry>
1789     </variablelist>
1790 </para>
1791 </sect2>
1792 </sect1>
1793
1794
1795 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
1796 <sect1 id="data-type-extensions">
1797 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
1798
1799 <sect2 id="nullary-types">
1800 <title>Data types with no constructors</title>
1801
1802 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
1803 a data type with no constructors.  For example:</para>
1804
1805 <programlisting>
1806   data S      -- S :: *
1807   data T a    -- T :: * -> *
1808 </programlisting>
1809
1810 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
1811 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
1812 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
1813 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
1814
1815 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
1816 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
1817 </sect2>
1818
1819 <sect2 id="infix-tycons">
1820 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
1821
1822 <para>
1823 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
1824 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
1825 <itemizedlist>
1826 <listitem><para>
1827   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
1828   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
1829   </para></listitem>
1830 <listitem><para>
1831   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
1832   if you want further arguments.  E.g.
1833 <screen>
1834   data a :*: b = Foo a b
1835   type a :+: b = Either a b
1836   class a :=: b where ...
1837
1838   data (a :**: b) x = Baz a b x
1839   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
1840 </screen>
1841   </para></listitem>
1842 <listitem><para>
1843   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
1844   <screen>
1845         x :: Int :*: Bool
1846         f :: (a :=: b) => a -> b
1847   </screen>
1848   </para></listitem>
1849 <listitem><para>
1850   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1851   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1852   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1853   parenthesised.  For example:
1854 <programlisting>
1855    type T (+) = Int + Int
1856    f :: T Either
1857    f = Left 3
1858  
1859    liftA2 :: Arrow (~>)
1860           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1861    liftA2 = ...
1862 </programlisting>
1863   </para></listitem>
1864 <listitem><para>
1865   Back-quotes work
1866   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1867   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1868   </para></listitem>
1869 <listitem><para>
1870   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1871   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1872   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1873 <screen>
1874   infixl 7 T, :*:
1875 </screen>
1876   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1877   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1878   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1879   </para></listitem>
1880 <listitem><para>
1881   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1882   </para></listitem>
1883
1884 </itemizedlist>
1885 </para>
1886 </sect2>
1887
1888 <sect2 id="type-synonyms">
1889 <title>Liberalised type synonyms</title>
1890
1891 <para>
1892 Type synonyms are like macros at the type level, but Haskell 98 imposes many rules
1893 on individual synonym declarations.
1894 With the <option>-XLiberalTypeSynonyms</option> extension,
1895 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1896 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98. 
1897
1898 <itemizedlist>
1899 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1900 in a type synonym, thus:
1901 <programlisting>
1902   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1903
1904   f :: Discard a
1905   f x y = (x, show y)
1906
1907   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1908   g f = f 3 True
1909 </programlisting>
1910 </para>
1911 </listitem>
1912
1913 <listitem><para>
1914 If you also use <option>-XUnboxedTuples</option>, 
1915 you can write an unboxed tuple in a type synonym:
1916 <programlisting>
1917   type Pr = (# Int, Int #)
1918
1919   h :: Int -> Pr
1920   h x = (# x, x #)
1921 </programlisting>
1922 </para></listitem>
1923
1924 <listitem><para>
1925 You can apply a type synonym to a forall type:
1926 <programlisting>
1927   type Foo a = a -> a -> Bool
1928  
1929   f :: Foo (forall b. b->b)
1930 </programlisting>
1931 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1932 <programlisting>
1933   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1934 </programlisting>
1935 </para></listitem>
1936
1937 <listitem><para>
1938 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1939 <programlisting>
1940   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1941   type Id x = x
1942   
1943   foo :: Generic Id []
1944 </programlisting>
1945 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1946 <programlisting>
1947   foo :: forall x. x -> [x]
1948 </programlisting>
1949 </para></listitem>
1950
1951 </itemizedlist>
1952 </para>
1953
1954 <para>
1955 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1956 could be changed.)
1957 </para>
1958 <para>
1959 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1960 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1961 <itemizedlist>
1962 <listitem><para>
1963 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1964 </para></listitem>
1965 <listitem><para>
1966 Unboxed tuple on left of an arrow.
1967 </para></listitem>
1968 <listitem><para>
1969 Partially-applied type synonym.
1970 </para></listitem>
1971 </itemizedlist>
1972 So, for example,
1973 this will be rejected:
1974 <programlisting>
1975   type Pr = (# Int, Int #)
1976
1977   h :: Pr -> Int
1978   h x = ...
1979 </programlisting>
1980 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1981 </para>
1982 </sect2>
1983
1984
1985 <sect2 id="existential-quantification">
1986 <title>Existentially quantified data constructors
1987 </title>
1988
1989 <para>
1990 The idea of using existential quantification in data type declarations
1991 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1992 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1993 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1994 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1995 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1996 It's been in Lennart
1997 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1998 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1999 </para>
2000
2001 <para>
2002
2003 <programlisting>
2004   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2005            | Nil
2006 </programlisting>
2007
2008 </para>
2009
2010 <para>
2011 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2012 </para>
2013
2014 <para>
2015
2016 <programlisting>
2017   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2018   Nil   :: Foo
2019 </programlisting>
2020
2021 </para>
2022
2023 <para>
2024 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2025 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2026 For example, the following expression is fine:
2027 </para>
2028
2029 <para>
2030
2031 <programlisting>
2032   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2033 </programlisting>
2034
2035 </para>
2036
2037 <para>
2038 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2039 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2040 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2041 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2042 </para>
2043
2044 <para>
2045 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2046 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2047 </para>
2048
2049 <para>
2050
2051 <programlisting>
2052   f (MkFoo val fn) = ???
2053 </programlisting>
2054
2055 </para>
2056
2057 <para>
2058 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2059 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2060 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2061 </para>
2062
2063 <para>
2064
2065 <programlisting>
2066   f :: Foo -> Bool
2067   f (MkFoo val fn) = fn val
2068 </programlisting>
2069
2070 </para>
2071
2072 <para>
2073 What this allows us to do is to package heterogeneous values
2074 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2075 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2076 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2077 </para>
2078
2079 <sect3 id="existential">
2080 <title>Why existential?
2081 </title>
2082
2083 <para>
2084 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2085 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2086 </para>
2087
2088 <para>
2089
2090 <programlisting>
2091   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2092 </programlisting>
2093
2094 </para>
2095
2096 <para>
2097 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2098 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2099 adding a new existential quantification construct.
2100 </para>
2101
2102 </sect3>
2103
2104 <sect3 id="existential-with-context">
2105 <title>Existentials and type classes</title>
2106
2107 <para>
2108 An easy extension is to allow
2109 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2110 </para>
2111
2112 <para>
2113
2114 <programlisting>
2115 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2116          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2117 </programlisting>
2118
2119 </para>
2120
2121 <para>
2122 The two constructors have the types you'd expect:
2123 </para>
2124
2125 <para>
2126
2127 <programlisting>
2128 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2129 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2130 </programlisting>
2131
2132 </para>
2133
2134 <para>
2135 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2136 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2137 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2138 So this program is legal:
2139 </para>
2140
2141 <para>
2142
2143 <programlisting>
2144   f :: Baz -> String
2145   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2146                | otherwise = "No"
2147   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2148 </programlisting>
2149
2150 </para>
2151
2152 <para>
2153 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2154 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2155 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2156 extract it on pattern matching.
2157 </para>
2158
2159 </sect3>
2160
2161 <sect3 id="existential-records">
2162 <title>Record Constructors</title>
2163
2164 <para>
2165 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
2166
2167 <programlisting>
2168 data Counter a = forall self. NewCounter
2169     { _this    :: self
2170     , _inc     :: self -> self
2171     , _display :: self -> IO ()
2172     , tag      :: a
2173     }
2174 </programlisting>
2175 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
2176 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
2177 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
2178 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
2179 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
2180 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
2181 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
2182 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
2183 </para>
2184
2185 <para>
2186 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
2187
2188 <programlisting>
2189 inc :: Counter a -> Counter a
2190 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
2191     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
2192
2193 display :: Counter a -> IO ()
2194 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
2195 </programlisting>
2196
2197 Now we can define counters with different underlying implementations:
2198
2199 <programlisting>
2200 counterA :: Counter String 
2201 counterA = NewCounter
2202     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
2203
2204 counterB :: Counter String 
2205 counterB = NewCounter
2206     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
2207
2208 main = do
2209     display (inc counterA)         -- prints "1"
2210     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
2211 </programlisting>
2212
2213 Record update syntax is supported for existentials (and GADTs):
2214 <programlisting>
2215 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
2216 setTag obj t = obj{ tag = t }
2217 </programlisting>
2218 The rule for record update is this: <emphasis>
2219 the types of the updated fields may
2220 mention only the universally-quantified type variables
2221 of the data constructor.  For GADTs, the field may mention only types
2222 that appear as a simple type-variable argument in the constructor's result
2223 type</emphasis>.  For example:
2224 <programlisting>
2225 data T a b where { T1 { f1::a, f2::b, f3::(b,c) } :: T a b } -- c is existential
2226 upd1 t x = t { f1=x }   -- OK:   upd1 :: T a b -> a' -> T a' b
2227 upd2 t x = t { f3=x }   -- BAD   (f3's type mentions c, which is
2228                         --        existentially quantified)
2229
2230 data G a b where { G1 { g1::a, g2::c } :: G a [c] }
2231 upd3 g x = g { g1=x }   -- OK:   upd3 :: G a b -> c -> G c b
2232 upd4 g x = g { g2=x }   -- BAD (f2's type mentions c, which is not a simple
2233                         --      type-variable argument in G1's result type)
2234 </programlisting>
2235 </para>
2236
2237 </sect3>
2238
2239
2240 <sect3>
2241 <title>Restrictions</title>
2242
2243 <para>
2244 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2245 constructors can be use.
2246 </para>
2247
2248 <para>
2249
2250 <itemizedlist>
2251 <listitem>
2252
2253 <para>
2254  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2255 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2256 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2257 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2258
2259
2260 <programlisting>
2261 f1 (MkFoo a f) = a
2262 </programlisting>
2263
2264
2265 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2266 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2267 ask what type <function>f1</function> has:
2268
2269
2270 <programlisting>
2271   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2272 </programlisting>
2273
2274
2275 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2276 this:
2277
2278
2279 <programlisting>
2280   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2281 </programlisting>
2282
2283
2284 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2285
2286
2287 <programlisting>
2288   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2289 </programlisting>
2290
2291
2292 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2293 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2294 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2295
2296
2297 </para>
2298 </listitem>
2299 <listitem>
2300
2301 <para>
2302 You can't pattern-match on an existentially quantified
2303 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2304 bindings. So this is illegal:
2305
2306
2307 <programlisting>
2308   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2309 </programlisting>
2310
2311 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2312
2313 <programlisting>
2314   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2315 </programlisting>
2316
2317 In general, you can only pattern-match
2318 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2319 in the patterns of a function definition.
2320
2321 The reason for this restriction is really an implementation one.
2322 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2323 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2324 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2325 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2326 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2327 annoying it is.
2328
2329 </para>
2330 </listitem>
2331 <listitem>
2332
2333 <para>
2334 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2335 declarations.  So this is illegal:
2336
2337
2338 <programlisting>
2339   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2340 </programlisting>
2341
2342
2343 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
2344 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
2345 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
2346 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
2347 You can get just the same efficiency and effect by using
2348 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
2349 there is no overloading involved, then there is more of a case for
2350 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
2351 because the <literal>data</literal> version does carry an
2352 implementation cost, but single-field existentially quantified
2353 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
2354 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
2355 are convincing reasons to change it.
2356
2357
2358 </para>
2359 </listitem>
2360 <listitem>
2361
2362 <para>
2363  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2364 data type with existentially quantified data constructors.
2365
2366 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
2367
2368 <programlisting>
2369 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2370 </programlisting>
2371
2372 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2373 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2374
2375 <programlisting>
2376 instance Eq T where
2377   (MkT a) == (MkT b) = ???
2378 </programlisting>
2379
2380 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
2381 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2382 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2383 declarations.  Define your own instances!
2384 </para>
2385 </listitem>
2386
2387 </itemizedlist>
2388
2389 </para>
2390
2391 </sect3>
2392 </sect2>
2393
2394 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
2395
2396 <sect2 id="gadt-style">
2397 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
2398
2399 <para>GHC allows you to declare an algebraic data type by 
2400 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
2401 <programlisting>
2402   data Maybe a where
2403       Nothing :: Maybe a
2404       Just    :: a -> Maybe a
2405 </programlisting>
2406 The form is called a "GADT-style declaration"
2407 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
2408 can only be declared using this form.</para>
2409 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
2410 For example, these two declarations are equivalent:
2411 <programlisting>
2412   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2413   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
2414 </programlisting>
2415 </para>
2416 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
2417 can also be declared using GADT-style syntax.
2418 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
2419 they treat class constraints on the data constructors differently.
2420 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
2421 context is made available by pattern matching.  For example:
2422 <programlisting>
2423   data Set a where
2424     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
2425
2426   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
2427   makeSet xs = MkSet (nub xs)
2428
2429   insert :: a -> Set a -> Set a
2430   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
2431                       | otherwise   = MkSet (a:as)
2432 </programlisting>
2433 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
2434 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
2435 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
2436 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
2437 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
2438 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
2439 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
2440 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
2441 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
2442 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
2443 </para>
2444 <para>
2445 For example, one possible application is to reify dictionaries:
2446 <programlisting>
2447    data NumInst a where
2448      MkNumInst :: Num a => NumInst a
2449
2450    intInst :: NumInst Int
2451    intInst = MkNumInst
2452
2453    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
2454    plus MkNumInst p q = p + q
2455 </programlisting>
2456 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
2457 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
2458 </para>
2459 <para>
2460 All this applies to constructors declared using the syntax of <xref linkend="existential-with-context"/>.
2461 For example, the <literal>NumInst</literal> data type above could equivalently be declared 
2462 like this:
2463 <programlisting>
2464    data NumInst a 
2465       = Num a => MkNumInst (NumInst a)
2466 </programlisting>
2467 Notice that, unlike the situation when declaring an existential, there is 
2468 no <literal>forall</literal>, because the <literal>Num</literal> constrains the
2469 data type's universally quantified type variable <literal>a</literal>.  
2470 A constructor may have both universal and existential type variables: for example,
2471 the following two declarations are equivalent:
2472 <programlisting>
2473    data T1 a 
2474         = forall b. (Num a, Eq b) => MkT1 a b
2475    data T2 a where
2476         MkT2 :: (Num a, Eq b) => a -> b -> T2 a
2477 </programlisting>
2478 </para>
2479 <para>All this behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treatment of 
2480 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
2481 In Haskell 98 the definition
2482 <programlisting>
2483   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
2484 </programlisting>
2485 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
2486 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
2487 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
2488 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
2489 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.
2490 </para>
2491
2492 <para>
2493 The rest of this section gives further details about GADT-style data
2494 type declarations.
2495
2496 <itemizedlist>
2497 <listitem><para>
2498 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
2499 If the result type of all constructors 
2500 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
2501 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
2502 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
2503 </para></listitem>
2504
2505 <listitem><para>
2506 As with other type signatures, you can give a single signature for several data constructors.
2507 In this example we give a single signature for <literal>T1</literal> and <literal>T2</literal>:
2508 <programlisting>
2509   data T a where
2510     T1,T2 :: a -> T a
2511     T3 :: T a
2512 </programlisting>
2513 </para></listitem>
2514
2515 <listitem><para>
2516 The type signature of
2517 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
2518 In particular, the type variable(s) in the "<literal>data T a where</literal>" header 
2519 have no scope, and different constructors may have different universally-quantified type variables:
2520 <programlisting>
2521   data T a where        -- The 'a' has no scope
2522     T1,T2 :: b -> T b   -- Means forall b. b -> T b
2523     T3 :: T a           -- Means forall a. T a
2524 </programlisting>
2525 </para></listitem>
2526
2527 <listitem><para>
2528 A constructor signature may mention type class constraints, which can differ for
2529 different constructors.  For example, this is fine:
2530 <programlisting>
2531   data T a where
2532     T1 :: Eq b => b -> b -> T b
2533     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
2534 </programlisting>
2535 When patten matching, these constraints are made available to discharge constraints
2536 in the body of the match. For example:
2537 <programlisting>
2538   f :: T a -> String
2539   f (T1 x y) | x==y      = "yes"
2540              | otherwise = "no"
2541   f (T2 a b)             = show a
2542 </programlisting>
2543 Note that <literal>f</literal> is not overloaded; the <literal>Eq</literal> constraint arising
2544 from the use of <literal>==</literal> is discharged by the pattern match on <literal>T1</literal>
2545 and similarly the <literal>Show</literal> constraint arising from the use of <literal>show</literal>.
2546 </para></listitem>
2547
2548 <listitem><para>
2549 Unlike a Haskell-98-style 
2550 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
2551 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
2552 <programlisting>
2553   data Set :: * -> * where ...
2554 </programlisting>
2555 or even a mixture of the two:
2556 <programlisting>
2557   data Bar a :: (* -> *) -> * where ...
2558 </programlisting>
2559 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
2560 like this:
2561 <programlisting>
2562   data Bar a (b :: * -> *) where ...
2563 </programlisting>
2564 </para></listitem>
2565
2566
2567 <listitem><para>
2568 You can use strictness annotations, in the obvious places
2569 in the constructor type:
2570 <programlisting>
2571   data Term a where
2572       Lit    :: !Int -> Term Int
2573       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
2574       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2575 </programlisting>
2576 </para></listitem>
2577
2578 <listitem><para>
2579 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
2580 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
2581 <programlisting>
2582   data Maybe1 a where {
2583       Nothing1 :: Maybe1 a ;
2584       Just1    :: a -> Maybe1 a
2585     } deriving( Eq, Ord )
2586
2587   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
2588        deriving( Eq, Ord )
2589 </programlisting>
2590 </para></listitem>
2591
2592 <listitem><para>
2593 The type signature may have quantified type variables that do not appear
2594 in the result type:
2595 <programlisting>
2596   data Foo where
2597      MkFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo
2598      Nil   :: Foo
2599 </programlisting>
2600 Here the type variable <literal>a</literal> does not appear in the result type
2601 of either constructor.  
2602 Although it is universally quantified in the type of the constructor, such
2603 a type variable is often called "existential".  
2604 Indeed, the above declaration declares precisely the same type as 
2605 the <literal>data Foo</literal> in <xref linkend="existential-quantification"/>.
2606 </para><para>
2607 The type may contain a class context too, of course:
2608 <programlisting>
2609   data Showable where
2610     MkShowable :: Show a => a -> Showable
2611 </programlisting>
2612 </para></listitem>
2613
2614 <listitem><para>
2615 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
2616
2617 <programlisting>
2618   data Person where
2619       Adult :: { name :: String, children :: [Person] } -> Person
2620       Child :: Show a => { name :: !String, funny :: a } -> Person
2621 </programlisting>
2622 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
2623 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
2624 The <literal>Child</literal> constructor above shows that the signature
2625 may have a context, existentially-quantified variables, and strictness annotations, 
2626 just as in the non-record case.  (NB: the "type" that follows the double-colon
2627 is not really a type, because of the record syntax and strictness annotations.
2628 A "type" of this form can appear only in a constructor signature.)
2629 </para></listitem>
2630
2631 <listitem><para> 
2632 Record updates are allowed with GADT-style declarations, 
2633 only fields that have the following property: the type of the field
2634 mentions no existential type variables.
2635 </para></listitem>
2636
2637 <listitem><para> 
2638 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
2639 (<xref linkend="existential-records"/>),
2640 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
2641 selectors.  
2642 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
2643 <programlisting>
2644 data Counter a where
2645     NewCounter { _this    :: self
2646                , _inc     :: self -> self
2647                , _display :: self -> IO ()
2648                , tag      :: a
2649                }
2650         :: Counter a
2651 </programlisting>
2652 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
2653 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
2654 </para></listitem>
2655 </itemizedlist></para>
2656 </sect2>
2657
2658 <sect2 id="gadt">
2659 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
2660
2661 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
2662 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
2663 <programlisting>
2664   data Term a where
2665       Lit    :: Int -> Term Int
2666       Succ   :: Term Int -> Term Int
2667       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
2668       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
2669       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2670 </programlisting>
2671 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
2672 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
2673 write a well-typed <literal>eval</literal> function
2674 for these <literal>Terms</literal>:
2675 <programlisting>
2676   eval :: Term a -> a
2677   eval (Lit i)      = i
2678   eval (Succ t)     = 1 + eval t
2679   eval (IsZero t)   = eval t == 0
2680   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
2681   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
2682 </programlisting>
2683 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
2684 For example, in the right hand side of the equation
2685 <programlisting>
2686   eval :: Term a -> a
2687   eval (Lit i) =  ...
2688 </programlisting>
2689 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
2690 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
2691 but the design closely follows that described in
2692 the paper <ulink
2693 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/">Simple
2694 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
2695 (ICFP 2006).
2696 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
2697 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
2698 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
2699 and lots of obscure error messages will
2700 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
2701 <programlisting>
2702   eval :: Term a -> a -> a
2703   eval (Lit i) j =  i+j
2704 </programlisting>
2705 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
2706 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
2707 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
2708 </para>
2709 <para>
2710 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
2711 Tim Sheard. There is a longer introduction
2712 <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
2713 and Ralf Hinze's
2714 <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
2715 may use different notation to that implemented in GHC.
2716 </para>
2717 <para>
2718 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs.   The extension is enabled with 
2719 <option>-XGADTs</option>.  The <option>-XGADTs</option> flag also sets <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
2720 <itemizedlist>
2721 <listitem><para>
2722 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
2723 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
2724 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
2725 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
2726 For example, in the <literal>Term</literal> data
2727 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
2728 the <literal>ty</literal> need not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
2729 constructor).
2730 </para></listitem>
2731
2732 <listitem><para>
2733 It is permitted to declare an ordinary algebraic data type using GADT-style syntax.
2734 What makes a GADT into a GADT is not the syntax, but rather the presence of data constructors
2735 whose result type is not just <literal>T a b</literal>.
2736 </para></listitem>
2737
2738 <listitem><para>
2739 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
2740 an ordinary data type.
2741 </para></listitem>
2742
2743 <listitem><para>
2744 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
2745 For example:
2746 <programlisting>
2747   data Term a where
2748       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
2749       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
2750       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
2751       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
2752       Pair   { arg1 :: Term a
2753              , arg2 :: Term b
2754              }                    :: Term (a,b)
2755       If     { cnd  :: Term Bool
2756              , tru  :: Term a
2757              , fls  :: Term a
2758              }                    :: Term a
2759 </programlisting>
2760 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
2761 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
2762 the same result type (modulo alpha conversion)
2763 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
2764 and <literal>arg</literal> fields above into a 
2765 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
2766 their selector functions actually have different types:
2767
2768 <programlisting>
2769   num :: Term Int -> Term Int
2770   arg :: Term Bool -> Term Int
2771 </programlisting>
2772 </para></listitem>
2773
2774 <listitem><para>
2775 When pattern-matching against data constructors drawn from a GADT, 
2776 for example in a <literal>case</literal> expression, the following rules apply:
2777 <itemizedlist>
2778 <listitem><para>The type of the scrutinee must be rigid.</para></listitem>
2779 <listitem><para>The type of the entire <literal>case</literal> expression must be rigid.</para></listitem>
2780 <listitem><para>The type of any free variable mentioned in any of
2781 the <literal>case</literal> alternatives must be rigid.</para></listitem>
2782 </itemizedlist>
2783 A type is "rigid" if it is completely known to the compiler at its binding site.  The easiest
2784 way to ensure that a variable a rigid type is to give it a type signature.
2785 For more precise details see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt">
2786 Simple unification-based type inference for GADTs
2787 </ulink>. The criteria implemented by GHC are given in the Appendix.
2788
2789 </para></listitem>
2790
2791 </itemizedlist>
2792 </para>
2793
2794 </sect2>
2795 </sect1>
2796
2797 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
2798
2799 <sect1 id="deriving">
2800 <title>Extensions to the "deriving" mechanism</title>
2801
2802 <sect2 id="deriving-inferred">
2803 <title>Inferred context for deriving clauses</title>
2804
2805 <para>
2806 The Haskell Report is vague about exactly when a <literal>deriving</literal> clause is
2807 legal.  For example:
2808 <programlisting>
2809   data T0 f a = MkT0 a         deriving( Eq )
2810   data T1 f a = MkT1 (f a)     deriving( Eq )
2811   data T2 f a = MkT2 (f (f a)) deriving( Eq )
2812 </programlisting>
2813 The natural generated <literal>Eq</literal> code would result in these instance declarations:
2814 <programlisting>
2815   instance Eq a         => Eq (T0 f a) where ...
2816   instance Eq (f a)     => Eq (T1 f a) where ...
2817   instance Eq (f (f a)) => Eq (T2 f a) where ...
2818 </programlisting>
2819 The first of these is obviously fine. The second is still fine, although less obviously. 
2820 The third is not Haskell 98, and risks losing termination of instances.
2821 </para>
2822 <para>
2823 GHC takes a conservative position: it accepts the first two, but not the third.  The  rule is this:
2824 each constraint in the inferred instance context must consist only of type variables, 
2825 with no repetitions.
2826 </para>
2827 <para>
2828 This rule is applied regardless of flags.  If you want a more exotic context, you can write
2829 it yourself, using the <link linkend="stand-alone-deriving">standalone deriving mechanism</link>.
2830 </para>
2831 </sect2>
2832
2833 <sect2 id="stand-alone-deriving">
2834 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
2835
2836 <para>
2837 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-XStandaloneDeriving</literal>:
2838 <programlisting>
2839   data Foo a = Bar a | Baz String
2840
2841   deriving instance Eq a => Eq (Foo a)
2842 </programlisting>
2843 The syntax is identical to that of an ordinary instance declaration apart from (a) the keyword
2844 <literal>deriving</literal>, and (b) the absence of the <literal>where</literal> part.
2845 Note the following points:
2846 <itemizedlist>
2847 <listitem><para>
2848 You must supply an explicit context (in the example the context is <literal>(Eq a)</literal>), 
2849 exactly as you would in an ordinary instance declaration.
2850 (In contrast, in a <literal>deriving</literal> clause 
2851 attached to a data type declaration, the context is inferred.) 
2852 </para></listitem>
2853
2854 <listitem><para>
2855 A <literal>deriving instance</literal> declaration
2856 must obey the same rules concerning form and termination as ordinary instance declarations,
2857 controlled by the same flags; see <xref linkend="instance-decls"/>.
2858 </para></listitem>
2859
2860 <listitem><para>
2861 Unlike a <literal>deriving</literal>
2862 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, the instance can be more specific
2863 than the data type (assuming you also use 
2864 <literal>-XFlexibleInstances</literal>, <xref linkend="instance-rules"/>).  Consider
2865 for example
2866 <programlisting>
2867   data Foo a = Bar a | Baz String
2868
2869   deriving instance Eq a => Eq (Foo [a])
2870   deriving instance Eq a => Eq (Foo (Maybe a))
2871 </programlisting>
2872 This will generate a derived instance for <literal>(Foo [a])</literal> and <literal>(Foo (Maybe a))</literal>,
2873 but other types such as <literal>(Foo (Int,Bool))</literal> will not be an instance of <literal>Eq</literal>.
2874 </para></listitem>
2875
2876 <listitem><para>
2877 Unlike a <literal>deriving</literal>
2878 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, 
2879 GHC does not restrict the form of the data type.  Instead, GHC simply generates the appropriate
2880 boilerplate code for the specified class, and typechecks it. If there is a type error, it is
2881 your problem. (GHC will show you the offending code if it has a type error.) 
2882 The merit of this is that you can derive instances for GADTs and other exotic
2883 data types, providing only that the boilerplate code does indeed typecheck.  For example:
2884 <programlisting>
2885   data T a where
2886      T1 :: T Int
2887      T2 :: T Bool
2888
2889   deriving instance Show (T a)
2890 </programlisting>
2891 In this example, you cannot say <literal>... deriving( Show )</literal> on the 
2892 data type declaration for <literal>T</literal>, 
2893 because <literal>T</literal> is a GADT, but you <emphasis>can</emphasis> generate
2894 the instance declaration using stand-alone deriving.
2895 </para>
2896 </listitem>
2897
2898 <listitem>
2899 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
2900 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
2901 For example:
2902 <programlisting>
2903   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
2904
2905   deriving instance MonadState Int Foo
2906 </programlisting>
2907 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
2908 (<literal>Foo</literal> in this example) as the type whose instance is being derived.
2909 </para></listitem>
2910 </itemizedlist></para>
2911
2912 </sect2>
2913
2914
2915 <sect2 id="deriving-typeable">
2916 <title>Deriving clause for extra classes (<literal>Typeable</literal>, <literal>Data</literal>, etc)</title>
2917
2918 <para>
2919 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
2920 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
2921 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
2922 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
2923 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
2924 </para>
2925 <para>
2926 GHC extends this list with several more classes that may be automatically derived:
2927 <itemizedlist>
2928 <listitem><para> With <option>-XDeriveDataTypeable</option>, you can derive instances of the classes
2929 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>, defined in the library
2930 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively.
2931 </para>
2932 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
2933 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
2934 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
2935 described in
2936 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
2937 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
2938 </ulink>.
2939 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
2940 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
2941 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
2942 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
2943 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
2944 then writing the data type instance by hand.
2945 </para>
2946 </listitem>
2947
2948 <listitem><para> With <option>-XDeriveFunctor</option>, you can derive instances of 
2949 the class <literal>Functor</literal>,
2950 defined in <literal>GHC.Base</literal>.
2951 </para></listitem>
2952
2953 <listitem><para> With <option>-XDeriveFoldable</option>, you can derive instances of 
2954 the class <literal>Foldable</literal>,
2955 defined in <literal>Data.Foldable</literal>.
2956 </para></listitem>
2957
2958 <listitem><para> With <option>-XDeriveTraversable</option>, you can derive instances of 
2959 the class <literal>Traversable</literal>,
2960 defined in <literal>Data.Traversable</literal>.
2961 </para></listitem>
2962 </itemizedlist>
2963 In each case the appropriate class must be in scope before it 
2964 can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
2965 </para>
2966 </sect2>
2967
2968 <sect2 id="newtype-deriving">
2969 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2970
2971 <para>
2972 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2973 the new type to inherit some instances from its representation. In
2974 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2975 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2976 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2977 example, if you define
2978
2979 <programlisting>
2980   newtype Dollars = Dollars Int 
2981 </programlisting>
2982
2983 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2984 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2985
2986 <programlisting>
2987   instance Num Dollars where
2988     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2989     ...
2990 </programlisting>
2991 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
2992 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
2993 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
2994 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
2995 dictionary, only slower!
2996 </para>
2997
2998
2999 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3000 <para>
3001 GHC now permits such instances to be derived instead, 
3002 using the flag <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
3003 so one can write 
3004 <programlisting>
3005   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3006 </programlisting>
3007
3008 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3009 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3010 derives an instance declaration of the form
3011
3012 <programlisting>
3013   instance Num Int => Num Dollars
3014 </programlisting>
3015
3016 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3017 </para>
3018 <para>
3019
3020 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3021 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3022 transformers, such that
3023
3024 <programlisting>
3025   instance Monad m => Monad (State s m) 
3026   instance Monad m => Monad (Failure m)
3027 </programlisting>
3028 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3029 <programlisting>
3030   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3031 </programlisting>
3032
3033 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3034 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3035 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3036
3037 <programlisting>
3038   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3039                          deriving Monad
3040 </programlisting>
3041 In this case the derived instance declaration is of the form 
3042 <programlisting>
3043   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3044 </programlisting>
3045
3046 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3047 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3048 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3049 "eta-converted" to generate the context of the instance
3050 declaration.
3051 </para>
3052 <para>
3053
3054 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3055 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3056 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3057 clause. For example, given the class
3058
3059 <programlisting>
3060   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3061   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3062 </programlisting>
3063 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3064 <programlisting>
3065   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3066                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3067 </programlisting>
3068
3069 The derived instance is obtained by completing the application of the
3070 class to the new type:
3071
3072 <programlisting>
3073   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3074            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3075 </programlisting>
3076 </para>
3077 <para>
3078
3079 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3080  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3081 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3082 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3083 the newtype and its representation.
3084 </para>
3085 </sect3>
3086
3087 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3088 <para>
3089 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3090 declaration (after expansion of any type synonyms)
3091
3092 <programlisting>
3093   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3094 </programlisting>
3095
3096 where 
3097  <itemizedlist>
3098 <listitem><para>
3099   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3100   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3101   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3102 </para></listitem>
3103 <listitem><para>
3104   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
3105 </para></listitem>
3106 <listitem><para>
3107   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
3108 </para></listitem>
3109 <listitem><para>
3110   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
3111   nor in the <literal>ci</literal>, and
3112 </para></listitem>
3113 <listitem><para>
3114   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3115                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3116                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3117                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3118                 via this new mechanism.  
3119 </para></listitem>
3120 </itemizedlist>
3121 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3122 declaration is:
3123 <programlisting>
3124   instance ci t => ci (T v1...vk)
3125 </programlisting>
3126 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3127 <programlisting>
3128   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3129 </programlisting>
3130 Here we cannot derive the instance 
3131 <programlisting>
3132   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3133 </programlisting>
3134
3135 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3136 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3137 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3138 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3139 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3140 </para>
3141 <para>
3142
3143 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3144 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3145 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3146
3147 <programlisting>
3148   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3149 </programlisting>
3150
3151 then we would not have been able to derive an instance for the
3152 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3153 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3154 instances is most interesting.
3155 </para>
3156 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3157 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3158 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3159 4.3.3. of the Haskell Report).
3160 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3161 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3162 the standard method is used or the one described here.)
3163 </para>
3164 </sect3>
3165 </sect2>
3166 </sect1>
3167
3168
3169 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
3170 <sect1 id="type-class-extensions">
3171 <title>Class and instances declarations</title>
3172
3173 <sect2 id="multi-param-type-classes">
3174 <title>Class declarations</title>
3175
3176 <para>
3177 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
3178 There's lots of background in the paper <ulink
3179 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space/">Type
3180 classes: exploring the design space</ulink> (Simon Peyton Jones, Mark
3181 Jones, Erik Meijer).
3182 </para>
3183 <para>
3184 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
3185 </para>
3186
3187 <sect3>
3188 <title>Multi-parameter type classes</title>
3189 <para>
3190 Multi-parameter type classes are permitted, with flag <option>-XMultiParamTypeClasses</option>. 
3191 For example:
3192
3193
3194 <programlisting>
3195   class Collection c a where
3196     union :: c a -> c a -> c a
3197     ...etc.
3198 </programlisting>
3199
3200 </para>
3201 </sect3>
3202
3203 <sect3 id="superclass-rules">
3204 <title>The superclasses of a class declaration</title>
3205
3206 <para>
3207 In Haskell 98 the context of a class declaration (which introduces superclasses)
3208 must be simple; that is, each predicate must consist of a class applied to 
3209 type variables.  The flag <option>-XFlexibleContexts</option> 
3210 (<xref linkend="flexible-contexts"/>)
3211 lifts this restriction,
3212 so that the only restriction on the context in a class declaration is 
3213 that the class hierarchy must be acyclic.  So these class declarations are OK:
3214
3215
3216 <programlisting>
3217   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
3218     ...
3219
3220   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
3221     lift :: m a -> (t m) a
3222 </programlisting>
3223
3224
3225 </para>
3226 <para>
3227 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
3228 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
3229 this is OK:
3230
3231
3232 <programlisting>
3233   class C a where {
3234     op :: D b => a -> b -> b
3235   }
3236
3237   class C a => D a where { ... }
3238 </programlisting>
3239
3240
3241 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
3242 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
3243 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
3244 </para>
3245 </sect3>
3246
3247
3248
3249
3250 <sect3 id="class-method-types">
3251 <title>Class method types</title>
3252
3253 <para>
3254 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
3255 class type variable, thus:
3256 <programlisting>
3257   class Seq s a where
3258     fromList :: [a] -> s a
3259     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
3260 </programlisting>
3261 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
3262 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
3263 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
3264 GHC lifts this restriction (flag <option>-XConstrainedClassMethods</option>).
3265 </para>
3266
3267
3268 </sect3>
3269 </sect2>
3270
3271 <sect2 id="functional-dependencies">
3272 <title>Functional dependencies
3273 </title>
3274
3275 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
3276 in &ldquo;<ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/jones00type.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
3277 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
3278 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
3279 .
3280 </para>
3281 <para>
3282 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
3283 class declaration;  e.g. 
3284 <programlisting>
3285   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
3286
3287   class Foo a b c | a b -> c where ...
3288 </programlisting>
3289 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
3290 </para>
3291
3292 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
3293 <para>
3294 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
3295 mentioned in <xref linkend="flexible-contexts"/>)
3296 from the free variables of each method type.
3297 For example:
3298
3299 <programlisting>
3300   class Coll s a where
3301     empty  :: s
3302     insert :: s -> a -> s
3303 </programlisting>
3304
3305 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
3306 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
3307 reachable:
3308 <programlisting>
3309   class Coll s a | s -> a where
3310     empty  :: s
3311     insert :: s -> a -> s
3312 </programlisting>
3313
3314 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
3315
3316 <programlisting>
3317   class Coll s a where
3318     empty  :: s a
3319     insert :: s a -> a -> s a
3320 </programlisting>
3321
3322
3323 which makes the connection between the type of a collection of
3324 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
3325 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
3326 class like this:
3327
3328
3329 <programlisting>
3330   class CollE s where
3331     empty  :: s
3332
3333   class CollE s => Coll s a where
3334     insert :: s -> a -> s
3335 </programlisting>
3336 </para>
3337 </sect3>
3338
3339
3340 <sect3>
3341 <title>Background on functional dependencies</title>
3342
3343 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
3344 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
3345 permission of Mark Jones.
3346 </para>
3347 <para> 
3348 Consider the following class, intended as part of a
3349 library for collection types:
3350 <programlisting>
3351    class Collects e ce where
3352        empty  :: ce
3353        insert :: e -> ce -> ce
3354        member :: e -> ce -> Bool
3355 </programlisting>
3356 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
3357 of the container itself. Within this framework, we might want to define
3358 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
3359 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
3360 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
3361 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
3362 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
3363 <programlisting>
3364    instance Eq e => Collects e [e] where ...
3365    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
3366    instance Collects Char BitSet where ...
3367    instance (Hashable e, Collects a ce)
3368               => Collects e (Array Int ce) where ...
3369 </programlisting>
3370 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
3371 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
3372 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
3373 <programlisting>
3374    empty :: Collects e ce => ce
3375 </programlisting>
3376 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
3377 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
3378 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
3379 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
3380 type.
3381 </para>
3382 <para>
3383 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
3384 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
3385 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
3386 them. For example, consider the following two functions: 
3387 <programlisting>
3388    f x y = insert x . insert y
3389    g     = f True 'a'
3390 </programlisting>
3391 for which GHC infers the following types: 
3392 <programlisting>
3393    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3394    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
3395 </programlisting>
3396 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
3397 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
3398 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
3399 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
3400 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
3401 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
3402 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
3403 might even be in a different module.
3404 </para>
3405
3406 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
3407
3408 <para>
3409 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
3410 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
3411 <programlisting>
3412    class Collects e c where
3413       empty  :: c e
3414       insert :: e -> c e -> c e
3415       member :: e -> c e -> Bool
3416 </programlisting>
3417 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
3418 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
3419 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
3420 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
3421 e</literal>, which is not ambiguous. 
3422 </para>
3423 <para>
3424 The function f from the previous section has a more accurate type: 
3425 <programlisting>
3426    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
3427 </programlisting>
3428 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
3429 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
3430 different types. 
3431 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
3432 quite well in practice, without ambiguity problems.
3433 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
3434 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
3435 for <literal>Collects</literal>
3436 given above can be used with this version of Collects because only one of
3437 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
3438 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
3439 </para>
3440 </sect4>
3441
3442 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
3443
3444 <para>
3445 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
3446 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
3447 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
3448 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
3449 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
3450 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
3451 later framework for "improvement" of qualified types. The
3452 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
3453 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
3454 general design space for systems of implicit parameterization.).
3455
3456 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
3457 <programlisting>
3458    class C a b where ...
3459 </programlisting>
3460 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
3461 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
3462 included in the definition of classes to add information about dependencies
3463 between parameters, as in the following examples: 
3464 <programlisting>
3465    class D a b | a -> b where ...
3466    class E a b | a -> b, b -> a where ...
3467 </programlisting>
3468 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
3469 symbols --- not to be
3470 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
3471 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
3472 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
3473 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
3474 represents a (partial) one-one mapping between types.
3475 </para>
3476 <para>
3477 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
3478 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
3479 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
3480 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
3481 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
3482 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
3483 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
3484 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
3485 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
3486 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
3487 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
3488 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
3489 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
3490 <literal>a-&gt;b</literal>, 
3491  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
3492 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
3493 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
3494 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
3495 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
3496 unchanged.
3497 </para>
3498 <para>
3499 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
3500 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
3501 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
3502 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
3503 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
3504 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
3505 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
3506 <programlisting>
3507    instance D Bool Int where ...
3508    instance D Bool Char where ...
3509 </programlisting>
3510 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
3511 <programlisting>
3512    instance D [a] b where ...
3513 </programlisting>
3514 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
3515 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
3516 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
3517 in any instance of the form: 
3518 <programlisting>
3519    instance D t s where ...
3520 </programlisting>
3521 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
3522 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
3523 uniquely determined.
3524 </para>
3525 <para>
3526 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
3527 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
3528 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
3529 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
3530 with a simple dependency: 
3531 <programlisting>
3532    class Collects e ce | ce -> e where
3533       empty  :: ce
3534       insert :: e -> ce -> ce
3535       member :: e -> ce -> Bool
3536 </programlisting>
3537 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
3538 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
3539 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
3540 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
3541 together with this new definition.
3542 </para>
3543 <para>
3544 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
3545 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
3546 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
3547 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
3548 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
3549 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
3550 give enough information to determine types for both ce and e, without
3551 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
3552 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
3553 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
3554 </para>
3555 <para>
3556 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
3557 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
3558 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
3559 function f: 
3560 <programlisting>
3561    f x y = insert x y = insert x . insert y
3562 </programlisting>
3563 for which we originally obtained a type: 
3564 <programlisting>
3565    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3566 </programlisting>
3567 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
3568 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
3569 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
3570 can infer a shorter and more accurate type for f: 
3571 <programlisting>
3572    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
3573 </programlisting>
3574 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
3575 </para>
3576 <para>
3577 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
3578 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
3579 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
3580 sets of instance declarations.
3581 </para>
3582 </sect4>
3583 </sect3>
3584 </sect2>
3585
3586 <sect2 id="instance-decls">
3587 <title>Instance declarations</title>
3588
3589 <para>An instance declaration has the form
3590 <screen>
3591   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 ...
3592 </screen>
3593 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
3594 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
3595 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
3596 </para>
3597
3598 <sect3 id="flexible-instance-head">
3599 <title>Relaxed rules for the instance head</title>
3600
3601 <para>
3602 In Haskell 98 the head of an instance declaration
3603 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
3604 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a data type constructor,
3605 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
3606 GHC relaxes these rules in two ways.
3607 <itemizedlist>
3608 <listitem>
3609 <para>
3610 The <option>-XFlexibleInstances</option> flag allows the head of the instance
3611 declaration to mention arbitrary nested types.
3612 For example, this becomes a legal instance declaration
3613 <programlisting>
3614   instance C (Maybe Int) where ...
3615 </programlisting>
3616 See also the <link linkend="instance-overlap">rules on overlap</link>.
3617 </para></listitem>
3618 <listitem><para>
3619 With the <option>-XTypeSynonymInstances</option> flag, instance heads may use type
3620 synonyms. As always, using a type synonym is just shorthand for
3621 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
3622
3623
3624 <programlisting>
3625   type Point = (Int,Int)
3626   instance C Point   where ...
3627   instance C [Point] where ...
3628 </programlisting>
3629
3630
3631 is legal.  However, if you added
3632
3633
3634 <programlisting>
3635   instance C (Int,Int) where ...
3636 </programlisting>
3637
3638
3639 as well, then the compiler will complain about the overlapping
3640 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
3641 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
3642
3643 <programlisting>
3644   type P a = [[a]]
3645   instance Monad P where ...
3646 </programlisting>
3647
3648 </para></listitem>
3649 </itemizedlist>
3650 </para>
3651 </sect3>
3652
3653 <sect3 id="instance-rules">
3654 <title>Relaxed rules for instance contexts</title>
3655
3656 <para>In Haskell 98, the assertions in the context of the instance declaration
3657 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
3658 is a type variable that occurs in the head.
3659 </para>
3660
3661 <para>
3662 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag relaxes this rule, as well
3663 as the corresponding rule for type signatures (see <xref linkend="flexible-contexts"/>).
3664 With this flag the context of the instance declaration can each consist of arbitrary
3665 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
3666 following rules:
3667 <orderedlist>
3668 <listitem><para>
3669 The Paterson Conditions: for each assertion in the context
3670 <orderedlist>
3671 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
3672 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
3673       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
3674 </orderedlist>
3675 </para></listitem>
3676
3677 <listitem><para>The Coverage Condition.  For each functional dependency,
3678 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
3679 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
3680 every type variable in
3681 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
3682 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
3683 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
3684 corresponding type in the instance declaration.
3685 </para></listitem>
3686 </orderedlist>
3687 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
3688 step makes the problem smaller by at least one
3689 constructor.  Both the Paterson Conditions and the Coverage Condition are lifted 
3690 if you give the <option>-XUndecidableInstances</option> 
3691 flag (<xref linkend="undecidable-instances"/>).
3692 You can find lots of background material about the reason for these
3693 restrictions in the paper <ulink
3694 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
3695 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
3696 </para>
3697 <para>
3698 For example, these are OK:
3699 <programlisting>
3700   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
3701   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
3702
3703       -- Repeated type variable in head
3704   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
3705   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
3706
3707       -- Head can consist of type variables only
3708   instance C a
3709   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
3710
3711       -- Non-type variables in context
3712   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
3713   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
3714   instance C2 Int a => C3 [a] b
3715 </programlisting>
3716 But these are not:
3717 <programlisting>
3718       -- Context assertion no smaller than head
3719   instance C a => C a where ...
3720       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
3721   instance C b b => Foo [b] where ...
3722 </programlisting>
3723 </para>
3724
3725 <para>
3726 The same restrictions apply to instances generated by
3727 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
3728 <programlisting>
3729   data MinHeap h a = H a (h a)
3730     deriving (Show)
3731 </programlisting>
3732 because the derived instance
3733 <programlisting>
3734   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
3735 </programlisting>
3736 conforms to the above rules.
3737 </para>
3738
3739 <para>
3740 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
3741 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
3742 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
3743 something more specific does not:
3744 <programlisting>
3745   instance C a where
3746     op = ... -- Default
3747 </programlisting>
3748 </para>
3749 </sect3>
3750
3751 <sect3 id="undecidable-instances">
3752 <title>Undecidable instances</title>
3753
3754 <para>
3755 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
3756 For example, sometimes you might want to use the following to get the
3757 effect of a "class synonym":
3758 <programlisting>
3759   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3760
3761   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3762 </programlisting>
3763 This allows you to write shorter signatures:
3764 <programlisting>
3765   f :: C a => ...
3766 </programlisting>
3767 instead of
3768 <programlisting>
3769   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
3770 </programlisting>
3771 The restrictions on functional dependencies (<xref
3772 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
3773 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
3774 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
3775 <programlisting>
3776   class HasConverter a b | a -> b where
3777      convert :: a -> b
3778    
3779   data Foo a = MkFoo a
3780
3781   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
3782      show (MkFoo value) = show (convert value)
3783 </programlisting>
3784 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
3785 typechecker loop:
3786 <programlisting>
3787   class D a
3788   class F a b | a->b
3789   instance F [a] [[a]]
3790   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
3791 </programlisting>
3792 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
3793 <programlisting>
3794   class Mul a b c | a b -> c where
3795         (.*.) :: a -> b -> c
3796
3797   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
3798   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
3799   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
3800 </programlisting>
3801 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
3802 and indeed the (somewhat strange) definition:
3803 <programlisting>
3804   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
3805 </programlisting>
3806 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
3807 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
3808 </para>
3809 <para>
3810 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
3811 the experimental flag <option>-XUndecidableInstances</option>
3812 <indexterm><primary>-XUndecidableInstances</primary></indexterm>, 
3813 both the Paterson Conditions and the Coverage Condition
3814 (described in <xref linkend="instance-rules"/>) are lifted.  Termination is ensured by having a
3815 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
3816 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
3817 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
3818 </para>
3819
3820 </sect3>
3821
3822
3823 <sect3 id="instance-overlap">
3824 <title>Overlapping instances</title>
3825 <para>
3826 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
3827 declaration
3828 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
3829 can be modified by two flags: <option>-XOverlappingInstances</option>
3830 <indexterm><primary>-XOverlappingInstances
3831 </primary></indexterm> 
3832 and <option>-XIncoherentInstances</option>
3833 <indexterm><primary>-XIncoherentInstances
3834 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
3835 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
3836 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
3837 <para>
3838 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
3839 it tries to match every instance declaration against the
3840 constraint,
3841 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
3842 these declarations:
3843 <programlisting>
3844   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
3845   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
3846   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
3847   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
3848 </programlisting>
3849 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
3850 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
3851 no account of the context of the instance declaration
3852 (<literal>context1</literal> etc).
3853 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
3854 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
3855 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
3856 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
3857 particular constraint matches more than one.
3858 </para>
3859
3860 <para>
3861 The <option>-XOverlappingInstances</option> flag instructs GHC to allow
3862 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
3863 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
3864 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
3865 most-specific match, the program is rejected.
3866 </para>
3867 <para>
3868 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
3869 <programlisting>
3870   f :: [b] -> [b]
3871   f x = ...
3872 </programlisting>
3873 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
3874 <literal>C Int [b]</literal>.  But
3875 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
3876 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
3877 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
3878 So GHC rejects the program.  
3879 (If you add the flag <option>-XIncoherentInstances</option>,
3880 GHC will instead pick (C), without complaining about 
3881 the problem of subsequent instantiations.)
3882 </para>
3883 <para>
3884 Notice that we gave a type signature to <literal>f</literal>, so GHC had to
3885 <emphasis>check</emphasis> that <literal>f</literal> has the specified type.  
3886 Suppose instead we do not give a type signature, asking GHC to <emphasis>infer</emphasis>
3887 it instead.  In this case, GHC will refrain from
3888 simplifying the constraint <literal>C Int [b]</literal> (for the same reason
3889 as before) but, rather than rejecting the program, it will infer the type
3890 <programlisting>
3891   f :: C Int [b] => [b] -> [b]
3892 </programlisting>
3893 That postpones the question of which instance to pick to the 
3894 call site for <literal>f</literal>
3895 by which time more is known about the type <literal>b</literal>.
3896 You can write this type signature yourself if you use the 
3897 <link linkend="flexible-contexts"><option>-XFlexibleContexts</option></link>
3898 flag.
3899 </para>
3900 <para>
3901 Exactly the same situation can arise in instance declarations themselves.  Suppose we have
3902 <programlisting>
3903   class Foo a where
3904      f :: a -> a
3905   instance Foo [b] where
3906      f x = ...
3907 </programlisting>
3908 and, as before, the constraint <literal>C Int [b]</literal> arises from <literal>f</literal>'s
3909 right hand side.  GHC will reject the instance, complaining as before that it does not know how to resolve
3910 the constraint <literal>C Int [b]</literal>, because it matches more than one instance
3911 declaration.  The solution is to postpone the choice by adding the constraint to the context
3912 of the instance declaration, thus:
3913 <programlisting>
3914   instance C Int [b] => Foo [b] where
3915      f x = ...
3916 </programlisting>
3917 (You need <link linkend="instance-rules"><option>-XFlexibleInstances</option></link> to do this.)
3918 </para>
3919 <para>
3920 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
3921 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
3922 presence or otherwise of the <option>-XOverlappingInstances</option> 
3923 and <option>-XIncoherentInstances</option> flags when that module is
3924 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
3925 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
3926 <itemizedlist>
3927 <listitem><para>
3928 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
3929 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
3930 <option>-XOverlappingInstances</option>.  The flag setting for the
3931 more-specific instance does not matter.
3932 </para></listitem>
3933 <listitem><para>
3934 Suppose an instance declaration does not match the constraint being looked up, but
3935 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
3936 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
3937 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
3938 <option>-XIncoherentInstances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
3939 check for that declaration.
3940 </para></listitem>
3941 </itemizedlist>
3942 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
3943 overlapping instances without the library client having to know.  
3944 </para>
3945 <para>
3946 If an instance declaration is compiled without
3947 <option>-XOverlappingInstances</option>,
3948 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
3949 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
3950 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
3951 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
3952 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
3953 are compiled, if the <option>-XOverlappingInstances</option> flag is
3954 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
3955 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
3956 </para>
3957 <para>The <option>-XIncoherentInstances</option> flag implies the
3958 <option>-XOverlappingInstances</option> flag, but not vice versa.
3959 </para>
3960 </sect3>
3961
3962
3963
3964 </sect2>
3965
3966 <sect2 id="overloaded-strings">
3967 <title>Overloaded string literals
3968 </title>
3969
3970 <para>
3971 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
3972 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
3973 literals enabled (with <literal>-XOverloadedStrings</literal>)
3974  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
3975 </para>
3976 <para>
3977 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
3978 and other variations of string like types.  String literals behave very much
3979 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
3980 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
3981 way as an integer literal is.
3982 </para>
3983 <para>
3984 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
3985 <programlisting>
3986 class IsString a where
3987     fromString :: String -> a
3988 </programlisting>
3989 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
3990 <programlisting>
3991 instance IsString [Char] where
3992     fromString cs = cs
3993 </programlisting>
3994 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
3995 it explicitly (for example, to give an instance declaration for it), you can import it
3996 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
3997 </para>
3998 <para>
3999 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-XOverloadedStrings</option> is specified.
4000 Specifically:
4001 <itemizedlist>
4002 <listitem><para>
4003 Each type in a default declaration must be an 
4004 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
4005 </para></listitem>
4006
4007 <listitem><para>
4008 The standard defaulting rule (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
4009 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
4010 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
4011 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
4012 </para></listitem>
4013 </itemizedlist>
4014 </para>
4015 <para>
4016 A small example:
4017 <programlisting>
4018 module Main where
4019
4020 import GHC.Exts( IsString(..) )
4021
4022 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
4023 instance IsString MyString where
4024     fromString = MyString
4025
4026 greet :: MyString -> MyString
4027 greet "hello" = "world"
4028 greet other = other
4029
4030 main = do
4031     print $ greet "hello"
4032     print $ greet "fool"
4033 </programlisting>
4034 </para>
4035 <para>
4036 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
4037 to work since it gets translated into an equality comparison.
4038 </para>
4039 </sect2>
4040
4041 </sect1>
4042
4043 <sect1 id="type-families">
4044 <title>Type families</title>
4045
4046 <para>
4047   <firstterm>Indexed type families</firstterm> are a new GHC extension to
4048   facilitate type-level 
4049   programming. Type families are a generalisation of <firstterm>associated
4050   data types</firstterm> 
4051   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKPM05.html">Associated 
4052   Types with Class</ulink>&rdquo;, M. Chakravarty, G. Keller, S. Peyton Jones,
4053   and S. Marlow. In Proceedings of &ldquo;The 32nd Annual ACM SIGPLAN-SIGACT
4054      Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'05)&rdquo;, pages
4055   1-13, ACM Press, 2005) and <firstterm>associated type synonyms</firstterm>
4056   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKP05.html">Type  
4057   Associated Type Synonyms</ulink>&rdquo;. M. Chakravarty, G. Keller, and
4058   S. Peyton Jones. 
4059   In Proceedings of &ldquo;The Tenth ACM SIGPLAN International Conference on
4060   Functional Programming&rdquo;, ACM Press, pages 241-253, 2005).  Type families
4061   themselves are described in the paper &ldquo;<ulink 
4062   url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4063   Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;, T. Schrijvers,
4064   S. Peyton-Jones, 
4065   M. Chakravarty, and M. Sulzmann, in Proceedings of &ldquo;ICFP 2008: The
4066   13th ACM SIGPLAN International Conference on Functional
4067   Programming&rdquo;, ACM Press, pages 51-62, 2008. Type families
4068   essentially provide type-indexed data types and named functions on types,
4069   which are useful for generic programming and highly parameterised library
4070   interfaces as well as interfaces with enhanced static information, much like
4071   dependent types. They might also be regarded as an alternative to functional
4072   dependencies, but provide a more functional style of type-level programming
4073   than the relational style of functional dependencies. 
4074 </para>
4075 <para>
4076   Indexed type families, or type families for short, are type constructors that
4077   represent sets of types. Set members are denoted by supplying the type family
4078   constructor with type parameters, which are called <firstterm>type
4079   indices</firstterm>. The 
4080   difference between vanilla parametrised type constructors and family
4081   constructors is much like between parametrically polymorphic functions and
4082   (ad-hoc polymorphic) methods of type classes. Parametric polymorphic functions
4083   behave the same at all type instances, whereas class methods can change their
4084   behaviour in dependence on the class type parameters. Similarly, vanilla type
4085   constructors imply the same data representation for all type instances, but
4086   family constructors can have varying representation types for varying type
4087   indices. 
4088 </para>
4089 <para>
4090   Indexed type families come in two flavours: <firstterm>data
4091     families</firstterm> and <firstterm>type synonym 
4092     families</firstterm>. They are the indexed family variants of algebraic
4093   data types and type synonyms, respectively. The instances of data families
4094   can be data types and newtypes. 
4095 </para>
4096 <para>
4097   Type families are enabled by the flag <option>-XTypeFamilies</option>.
4098   Additional information on the use of type families in GHC is available on
4099   <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GHC/Indexed_types">the
4100   Haskell wiki page on type families</ulink>.
4101 </para>
4102
4103 <sect2 id="data-families">
4104   <title>Data families</title>
4105
4106   <para>
4107     Data families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4108     toplevel 
4109     or (2) they can appear inside type classes (in which case they are known as
4110     associated types). The former is the more general variant, as it lacks the
4111     requirement for the type-indexes to coincide with the class
4112     parameters. However, the latter can lead to more clearly structured code and
4113     compiler warnings if some type instances were - possibly accidentally -
4114     omitted. In the following, we always discuss the general toplevel form first
4115     and then cover the additional constraints placed on associated types.
4116   </para>
4117
4118   <sect3 id="data-family-declarations"> 
4119     <title>Data family declarations</title>
4120
4121     <para>
4122       Indexed data families are introduced by a signature, such as 
4123 <programlisting>
4124 data family GMap k :: * -> *
4125 </programlisting>
4126       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4127       data declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4128       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is
4129 <programlisting>
4130 data family Array e
4131 </programlisting>
4132       Named arguments can also be given explicit kind signatures if needed.
4133       Just as with
4134       [http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/users_guide/gadt.html GADT
4135       declarations] named arguments are entirely optional, so that we can
4136       declare <literal>Array</literal> alternatively with 
4137 <programlisting>
4138 data family Array :: * -> *
4139 </programlisting>
4140     </para>
4141
4142     <sect4 id="assoc-data-family-decl">
4143       <title>Associated data family declarations</title>
4144       <para>
4145         When a data family is declared as part of a type class, we drop
4146         the <literal>family</literal> special.  The <literal>GMap</literal>
4147         declaration takes the following form 
4148 <programlisting>
4149 class GMapKey k where
4150   data GMap k :: * -> *
4151   ...
4152 </programlisting>
4153         In contrast to toplevel declarations, named arguments must be used for
4154         all type parameters that are to be used as type-indexes.  Moreover,
4155         the argument names must be class parameters.  Each class parameter may
4156         only be used at most once per associated type, but some may be omitted
4157         and they may be in an order other than in the class head.  Hence, the
4158         following contrived example is admissible: 
4159 <programlisting>
4160   class C a b c where
4161   data T c a :: *
4162 </programlisting>
4163       </para>
4164     </sect4>
4165   </sect3>
4166
4167   <sect3 id="data-instance-declarations"> 
4168     <title>Data instance declarations</title>
4169
4170     <para>
4171       Instance declarations of data and newtype families are very similar to
4172       standard data and newtype declarations.  The only two differences are
4173       that the keyword <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>
4174       is followed by <literal>instance</literal> and that some or all of the
4175       type arguments can be non-variable types, but may not contain forall
4176       types or type synonym families.  However, data families are generally
4177       allowed in type parameters, and type synonyms are allowed as long as
4178       they are fully applied and expand to a type that is itself admissible -
4179       exactly as this is required for occurrences of type synonyms in class
4180       instance parameters.  For example, the <literal>Either</literal>
4181       instance for <literal>GMap</literal> is 
4182 <programlisting>
4183 data instance GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4184 </programlisting>
4185       In this example, the declaration has only one variant.  In general, it
4186       can be any number.
4187     </para>
4188     <para>
4189       Data and newtype instance declarations are only permitted when an
4190       appropriate family declaration is in scope - just as a class instance declaratoin
4191       requires the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4192       declaration has to conform to the kind determined by its family
4193       declaration.  This implies that the number of parameters of an instance
4194       declaration matches the arity determined by the kind of the family.
4195     </para>
4196     <para>
4197       A data family instance declaration can use the full exprssiveness of
4198       ordinary <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declarations:
4199       <itemizedlist>
4200       <listitem><para> Although, a data family is <emphasis>introduced</emphasis> with
4201       the keyword "<literal>data</literal>", a data family <emphasis>instance</emphasis> can 
4202       use either <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>. For example:
4203 <programlisting>
4204 data family T a
4205 data    instance T Int  = T1 Int | T2 Bool
4206 newtype instance T Char = TC Bool
4207 </programlisting>
4208       </para></listitem>
4209       <listitem><para> A <literal>data instance</literal> can use GADT syntax for the data constructors,
4210       and indeed can define a GADT.  For example:
4211 <programlisting>
4212 data family G a b
4213 data instance G [a] b where
4214    G1 :: c -> G [Int] b
4215    G2 :: G [a] Bool
4216 </programlisting>
4217       </para></listitem>
4218       <listitem><para> You can use a <literal>deriving</literal> clause on a
4219       <literal>data instance</literal> or <literal>newtype instance</literal>
4220       declaration.
4221       </para></listitem>
4222       </itemizedlist>
4223     </para>
4224
4225     <para>
4226       Even if type families are defined as toplevel declarations, functions
4227       that perform different computations for different family instances may still
4228       need to be defined as methods of type classes.  In particular, the
4229       following is not possible: 
4230 <programlisting>
4231 data family T a
4232 data instance T Int  = A
4233 data instance T Char = B
4234 foo :: T a -> Int
4235 foo A = 1             -- WRONG: These two equations together...
4236 foo B = 2             -- ...will produce a type error.
4237 </programlisting>
4238 Instead, you would have to write <literal>foo</literal> as a class operation, thus:
4239 <programlisting>
4240 class C a where 
4241   foo :: T a -> Int
4242 instance Foo Int where
4243   foo A = 1
4244 instance Foo Char where
4245   foo B = 2
4246 </programlisting>
4247       (Given the functionality provided by GADTs (Generalised Algebraic Data
4248       Types), it might seem as if a definition, such as the above, should be
4249       feasible.  However, type families are - in contrast to GADTs - are
4250       <emphasis>open;</emphasis> i.e., new instances can always be added,
4251       possibly in other 
4252       modules.  Supporting pattern matching across different data instances
4253       would require a form of extensible case construct.)
4254     </para>
4255
4256     <sect4 id="assoc-data-inst">
4257       <title>Associated data instances</title>
4258       <para>
4259         When an associated data family instance is declared within a type
4260         class instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the
4261         family instance.  So, the <literal>Either</literal> instance
4262         for <literal>GMap</literal> becomes: 
4263 <programlisting>
4264 instance (GMapKey a, GMapKey b) => GMapKey (Either a b) where
4265   data GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4266   ...
4267 </programlisting>
4268         The most important point about associated family instances is that the
4269         type indexes corresponding to class parameters must be identical to
4270         the type given in the instance head; here this is the first argument
4271         of <literal>GMap</literal>, namely <literal>Either a b</literal>,
4272         which coincides with the only class parameter.  Any parameters to the
4273         family constructor that do not correspond to class parameters, need to
4274         be variables in every instance; here this is the
4275         variable <literal>v</literal>. 
4276       </para>
4277       <para>
4278         Instances for an associated family can only appear as part of
4279         instances declarations of the class in which the family was declared -
4280         just as with the equations of the methods of a class.  Also in
4281         correspondence to how methods are handled, declarations of associated
4282         types can be omitted in class instances.  If an associated family
4283         instance is omitted, the corresponding instance type is not inhabited;
4284         i.e., only diverging expressions, such
4285         as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4286       </para>
4287     </sect4>
4288
4289     <sect4 id="scoping-class-params">
4290       <title>Scoping of class parameters</title>
4291       <para>
4292         In the case of multi-parameter type classes, the visibility of class
4293         parameters in the right-hand side of associated family instances
4294         depends <emphasis>solely</emphasis> on the parameters of the data
4295         family.  As an example, consider the simple class declaration 
4296 <programlisting>
4297 class C a b where
4298   data T a
4299 </programlisting>
4300         Only one of the two class parameters is a parameter to the data
4301         family.  Hence, the following instance declaration is invalid: 
4302 <programlisting>
4303 instance C [c] d where
4304   data T [c] = MkT (c, d)    -- WRONG!!  'd' is not in scope
4305 </programlisting>
4306         Here, the right-hand side of the data instance mentions the type
4307         variable <literal>d</literal> that does not occur in its left-hand
4308         side.  We cannot admit such data instances as they would compromise
4309         type safety. 
4310       </para>
4311     </sect4>
4312
4313     <sect4 id="family-class-inst">
4314       <title>Type class instances of family instances</title>
4315       <para>
4316         Type class instances of instances of data families can be defined as
4317         usual, and in particular data instance declarations can
4318         have <literal>deriving</literal> clauses.  For example, we can write 
4319 <programlisting>
4320 data GMap () v = GMapUnit (Maybe v)
4321                deriving Show
4322 </programlisting>
4323         which implicitly defines an instance of the form
4324 <programlisting>
4325 instance Show v => Show (GMap () v) where ...
4326 </programlisting>
4327       </para>
4328       <para>
4329         Note that class instances are always for
4330         particular <emphasis>instances</emphasis> of a data family and never
4331         for an entire family as a whole.  This is for essentially the same
4332         reasons that we cannot define a toplevel function that performs
4333         pattern matching on the data constructors
4334         of <emphasis>different</emphasis> instances of a single type family.
4335         It would require a form of extensible case construct. 
4336       </para>
4337     </sect4>
4338
4339     <sect4 id="data-family-overlap">
4340       <title>Overlap of data instances</title>
4341       <para>
4342         The instance declarations of a data family used in a single program
4343         may not overlap at all, independent of whether they are associated or
4344         not.  In contrast to type class instances, this is not only a matter
4345         of consistency, but one of type safety. 
4346       </para>
4347     </sect4>
4348
4349   </sect3>
4350
4351   <sect3 id="data-family-import-export">
4352     <title>Import and export</title>
4353
4354     <para>
4355       The association of data constructors with type families is more dynamic
4356       than that is the case with standard data and newtype declarations.  In
4357       the standard case, the notation <literal>T(..)</literal> in an import or
4358       export list denotes the type constructor and all the data constructors
4359       introduced in its declaration.  However, a family declaration never
4360       introduces any data constructors; instead, data constructors are
4361       introduced by family instances.  As a result, which data constructors
4362       are associated with a type family depends on the currently visible
4363       instance declarations for that family.  Consequently, an import or
4364       export item of the form <literal>T(..)</literal> denotes the family
4365       constructor and all currently visible data constructors - in the case of
4366       an export item, these may be either imported or defined in the current
4367       module.  The treatment of import and export items that explicitly list
4368       data constructors, such as <literal>GMap(GMapEither)</literal>, is
4369       analogous. 
4370     </para>
4371
4372     <sect4 id="data-family-impexp-assoc">
4373       <title>Associated families</title>
4374       <para>
4375         As expected, an import or export item of the
4376         form <literal>C(..)</literal> denotes all of the class' methods and
4377         associated types.  However, when associated types are explicitly
4378         listed as subitems of a class, we need some new syntax, as uppercase
4379         identifiers as subitems are usually data constructors, not type
4380         constructors.  To clarify that we denote types here, each associated
4381         type name needs to be prefixed by the keyword <literal>type</literal>.
4382         So for example, when explicitly listing the components of
4383         the <literal>GMapKey</literal> class, we write <literal>GMapKey(type
4384         GMap, empty, lookup, insert)</literal>. 
4385       </para>
4386     </sect4>
4387
4388     <sect4 id="data-family-impexp-examples">
4389       <title>Examples</title>
4390       <para>
4391         Assuming our running <literal>GMapKey</literal> class example, let us
4392         look at some export lists and their meaning: 
4393         <itemizedlist>
4394           <listitem>
4395             <para><literal>module GMap (GMapKey) where...</literal>: Exports
4396               just the class name.</para>
4397           </listitem>
4398           <listitem>
4399             <para><literal>module GMap (GMapKey(..)) where...</literal>:
4400               Exports the class, the associated type <literal>GMap</literal>
4401               and the member
4402               functions <literal>empty</literal>, <literal>lookup</literal>,
4403               and <literal>insert</literal>.  None of the data constructors is 
4404               exported.</para>
4405           </listitem> 
4406           <listitem>
4407             <para><literal>module GMap (GMapKey(..), GMap(..))
4408                 where...</literal>: As before, but also exports all the data
4409               constructors <literal>GMapInt</literal>, 
4410               <literal>GMapChar</literal>,  
4411               <literal>GMapUnit</literal>, <literal>GMapPair</literal>,
4412               and <literal>GMapUnit</literal>.</para>
4413           </listitem>
4414           <listitem>
4415             <para><literal>module GMap (GMapKey(empty, lookup, insert),
4416             GMap(..)) where...</literal>: As before.</para>
4417           </listitem>
4418           <listitem>
4419             <para><literal>module GMap (GMapKey, empty, lookup, insert, GMap(..))
4420                 where...</literal>: As before.</para>
4421           </listitem>
4422         </itemizedlist>
4423       </para>
4424       <para>
4425         Finally, you can write <literal>GMapKey(type GMap)</literal> to denote
4426         both the class <literal>GMapKey</literal> as well as its associated
4427         type <literal>GMap</literal>.  However, you cannot
4428         write <literal>GMapKey(type GMap(..))</literal> &mdash; i.e.,
4429         sub-component specifications cannot be nested.  To
4430         specify <literal>GMap</literal>'s data constructors, you have to list
4431         it separately. 
4432       </para>
4433     </sect4>
4434
4435     <sect4 id="data-family-impexp-instances">
4436       <title>Instances</title>
4437       <para>
4438         Family instances are implicitly exported, just like class instances.
4439         However, this applies only to the heads of instances, not to the data
4440         constructors an instance defines. 
4441       </para>
4442     </sect4>
4443
4444   </sect3>
4445
4446 </sect2>
4447
4448 <sect2 id="synonym-families">
4449   <title>Synonym families</title>
4450
4451   <para>
4452     Type families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4453     toplevel or (2) they can appear inside type classes (in which case they
4454     are known as associated type synonyms).  The former is the more general
4455     variant, as it lacks the requirement for the type-indexes to coincide with
4456     the class parameters.  However, the latter can lead to more clearly
4457     structured code and compiler warnings if some type instances were -
4458     possibly accidentally - omitted.  In the following, we always discuss the
4459     general toplevel form first and then cover the additional constraints
4460     placed on associated types.
4461   </para>
4462
4463   <sect3 id="type-family-declarations">
4464     <title>Type family declarations</title>
4465
4466     <para>
4467       Indexed type families are introduced by a signature, such as 
4468 <programlisting>
4469 type family Elem c :: *
4470 </programlisting>
4471       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4472       type declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4473       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is 
4474 <programlisting>
4475 type family Elem c
4476 </programlisting>
4477       Parameters can also be given explicit kind signatures if needed.  We
4478       call the number of parameters in a type family declaration, the family's
4479       arity, and all applications of a type family must be fully saturated
4480       w.r.t. to that arity.  This requirement is unlike ordinary type synonyms
4481       and it implies that the kind of a type family is not sufficient to
4482       determine a family's arity, and hence in general, also insufficient to
4483       determine whether a type family application is well formed.  As an
4484       example, consider the following declaration: 
4485 <programlisting>
4486 type family F a b :: * -> *   -- F's arity is 2, 
4487                               -- although its overall kind is * -> * -> * -> *
4488 </programlisting>
4489       Given this declaration the following are examples of well-formed and
4490       malformed types: 
4491 <programlisting>
4492 F Char [Int]       -- OK!  Kind: * -> *
4493 F Char [Int] Bool  -- OK!  Kind: *
4494 F IO Bool          -- WRONG: kind mismatch in the first argument
4495 F Bool             -- WRONG: unsaturated application
4496 </programlisting>
4497       </para>
4498
4499     <sect4 id="assoc-type-family-decl">
4500       <title>Associated type family declarations</title>
4501       <para>
4502         When a type family is declared as part of a type class, we drop
4503         the <literal>family</literal> special.  The <literal>Elem</literal>
4504         declaration takes the following form 
4505 <programlisting>
4506 class Collects ce where
4507   type Elem ce :: *
4508   ...
4509 </programlisting>
4510         The argument names of the type family must be class parameters.  Each
4511         class parameter may only be used at most once per associated type, but
4512         some may be omitted and they may be in an order other than in the
4513         class head.  Hence, the following contrived example is admissible: 
4514 <programlisting>
4515 class C a b c where
4516   type T c a :: *
4517 </programlisting>
4518         These rules are exactly as for associated data families.
4519       </para>
4520     </sect4>
4521   </sect3>
4522
4523   <sect3 id="type-instance-declarations">
4524     <title>Type instance declarations</title>
4525     <para>
4526       Instance declarations of type families are very similar to standard type
4527       synonym declarations.  The only two differences are that the
4528       keyword <literal>type</literal> is followed
4529       by <literal>instance</literal> and that some or all of the type
4530       arguments can be non-variable types, but may not contain forall types or
4531       type synonym families. However, data families are generally allowed, and
4532       type synonyms are allowed as long as they are fully applied and expand
4533       to a type that is admissible - these are the exact same requirements as
4534       for data instances.  For example, the <literal>[e]</literal> instance
4535       for <literal>Elem</literal> is 
4536 <programlisting>
4537 type instance Elem [e] = e
4538 </programlisting>
4539     </para>
4540     <para>
4541       Type family instance declarations are only legitimate when an
4542       appropriate family declaration is in scope - just like class instances
4543       require the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4544       declaration has to conform to the kind determined by its family
4545       declaration, and the number of type parameters in an instance
4546       declaration must match the number of type parameters in the family
4547       declaration.   Finally, the right-hand side of a type instance must be a
4548       monotype (i.e., it may not include foralls) and after the expansion of
4549       all saturated vanilla type synonyms, no synonyms, except family synonyms
4550       may remain.  Here are some examples of admissible and illegal type
4551       instances: 
4552 <programlisting>
4553 type family F a :: *
4554 type instance F [Int]              = Int         -- OK!
4555 type instance F String             = Char        -- OK!
4556 type instance F (F a)              = a           -- WRONG: type parameter mentions a type family
4557 type instance F (forall a. (a, b)) = b           -- WRONG: a forall type appears in a type parameter
4558 type instance F Float              = forall a.a  -- WRONG: right-hand side may not be a forall type
4559
4560 type family G a b :: * -> *
4561 type instance G Int            = (,)     -- WRONG: must be two type parameters
4562 type instance G Int Char Float = Double  -- WRONG: must be two type parameters
4563 </programlisting>
4564     </para>
4565
4566     <sect4 id="assoc-type-instance">
4567       <title>Associated type instance declarations</title>
4568       <para>
4569         When an associated family instance is declared within a type class
4570         instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the family
4571         instance.  So, the <literal>[e]</literal> instance
4572         for <literal>Elem</literal> becomes: 
4573 <programlisting>
4574 instance (Eq (Elem [e])) => Collects ([e]) where
4575   type Elem [e] = e
4576   ...
4577 </programlisting>
4578         The most important point about associated family instances is that the
4579         type indexes corresponding to class parameters must be identical to the
4580         type given in the instance head; here this is <literal>[e]</literal>,
4581         which coincides with the only class parameter. 
4582       </para>
4583       <para>
4584         Instances for an associated family can only appear as part of  instances
4585         declarations of the class in which the family was declared - just as
4586         with the equations of the methods of a class.  Also in correspondence to
4587         how methods are handled, declarations of associated types can be omitted
4588         in class instances.  If an associated family instance is omitted, the
4589         corresponding instance type is not inhabited; i.e., only diverging
4590         expressions, such as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4591       </para>
4592     </sect4>
4593
4594     <sect4 id="type-family-overlap">
4595       <title>Overlap of type synonym instances</title>
4596       <para>
4597         The instance declarations of a type family used in a single program
4598         may only overlap if the right-hand sides of the overlapping instances
4599         coincide for the overlapping types.  More formally, two instance
4600         declarations overlap if there is a substitution that makes the
4601         left-hand sides of the instances syntactically the same.  Whenever
4602         that is the case, the right-hand sides of the instances must also be
4603         syntactically equal under the same substitution.  This condition is
4604         independent of whether the type family is associated or not, and it is
4605         not only a matter of consistency, but one of type safety. 
4606       </para>
4607       <para>
4608         Here are two example to illustrate the condition under which overlap
4609         is permitted. 
4610 <programlisting>
4611 type instance F (a, Int) = [a]
4612 type instance F (Int, b) = [b]   -- overlap permitted
4613
4614 type instance G (a, Int)  = [a]
4615 type instance G (Char, a) = [a]  -- ILLEGAL overlap, as [Char] /= [Int]
4616 </programlisting>
4617       </para>
4618     </sect4>
4619
4620     <sect4 id="type-family-decidability">
4621       <title>Decidability of type synonym instances</title>
4622       <para>
4623         In order to guarantee that type inference in the presence of type
4624         families decidable, we need to place a number of additional
4625         restrictions on the formation of type instance declarations (c.f.,
4626         Definition 5 (Relaxed Conditions) of &ldquo;<ulink 
4627         url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4628           Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;).  Instance
4629           declarations have the general form 
4630 <programlisting>
4631 type instance F t1 .. tn = t
4632 </programlisting>
4633         where we require that for every type family application <literal>(G s1
4634         .. sm)</literal> in <literal>t</literal>,  
4635         <orderedlist>
4636           <listitem>
4637             <para><literal>s1 .. sm</literal> do not contain any type family
4638             constructors,</para>
4639           </listitem>
4640           <listitem>
4641             <para>the total number of symbols (data type constructors and type
4642             variables) in <literal>s1 .. sm</literal> is strictly smaller than
4643             in <literal>t1 .. tn</literal>, and</para> 
4644           </listitem>
4645           <listitem>
4646             <para>for every type
4647             variable <literal>a</literal>, <literal>a</literal> occurs
4648             in <literal>s1 .. sm</literal> at most as often as in <literal>t1
4649             .. tn</literal>.</para>
4650           </listitem>
4651         </orderedlist>
4652         These restrictions are easily verified and ensure termination of type
4653         inference.  However, they are not sufficient to guarantee completeness
4654         of type inference in the presence of, so called, ''loopy equalities'',
4655         such as <literal>a ~ [F a]</literal>, where a recursive occurrence of
4656         a type variable is underneath a family application and data
4657         constructor application - see the above mentioned paper for details.   
4658       </para>
4659       <para>
4660         If the option <option>-XUndecidableInstances</option> is passed to the
4661         compiler, the above restrictions are not enforced and it is on the
4662         programmer to ensure termination of the normalisation of type families
4663         during type inference. 
4664       </para>
4665     </sect4>
4666   </sect3>
4667
4668   <sect3 id-="equality-constraints">
4669     <title>Equality constraints</title>
4670     <para>
4671       Type context can include equality constraints of the form <literal>t1 ~
4672       t2</literal>, which denote that the types <literal>t1</literal>
4673       and <literal>t2</literal> need to be the same.  In the presence of type
4674       families, whether two types are equal cannot generally be decided
4675       locally.  Hence, the contexts of function signatures may include
4676       equality constraints, as in the following example: 
4677 <programlisting>
4678 sumCollects :: (Collects c1, Collects c2, Elem c1 ~ Elem c2) => c1 -> c2 -> c2
4679 </programlisting>
4680       where we require that the element type of <literal>c1</literal>
4681       and <literal>c2</literal> are the same.  In general, the
4682       types <literal>t1</literal> and <literal>t2</literal> of an equality
4683       constraint may be arbitrary monotypes; i.e., they may not contain any
4684       quantifiers, independent of whether higher-rank types are otherwise
4685       enabled. 
4686     </para>
4687     <para>
4688       Equality constraints can also appear in class and instance contexts.
4689       The former enable a simple translation of programs using functional
4690       dependencies into programs using family synonyms instead.  The general
4691       idea is to rewrite a class declaration of the form 
4692 <programlisting>
4693 class C a b | a -> b
4694 </programlisting>
4695       to
4696 <programlisting>
4697 class (F a ~ b) => C a b where
4698   type F a
4699 </programlisting>
4700       That is, we represent every functional dependency (FD) <literal>a1 .. an
4701       -> b</literal> by an FD type family <literal>F a1 .. an</literal> and a
4702       superclass context equality <literal>F a1 .. an ~ b</literal>,
4703       essentially giving a name to the functional dependency.  In class
4704       instances, we define the type instances of FD families in accordance
4705       with the class head.  Method signatures are not affected by that
4706       process. 
4707     </para>
4708     <para>
4709       NB: Equalities in superclass contexts are not fully implemented in
4710       GHC 6.10. 
4711     </para>
4712   </sect3>
4713
4714   <sect3 id-="ty-fams-in-instances">
4715     <title>Type families and instance declarations</title>
4716     <para>Type families require us to extend the rules for 
4717       the form of instance heads, which are given 
4718       in <xref linkend="flexible-instance-head"/>.
4719       Specifically:
4720 <itemizedlist>
4721  <listitem><para>Data type families may appear in an instance head</para></listitem>
4722  <listitem><para>Type synonym families may not appear (at all) in an instance head</para></listitem>
4723 </itemizedlist>
4724 The reason for the latter restriction is that there is no way to check for. Consider
4725 <programlisting>
4726    type family F a
4727    type instance F Bool = Int
4728
4729    class C a
4730
4731    instance C Int
4732    instance C (F a)
4733 </programlisting>
4734 Now a constraint <literal>(C (F Bool))</literal> would match both instances.
4735 The situation is especially bad because the type instance for <literal>F Bool</literal>
4736 might be in another module, or even in a module that is not yet written.
4737 </para>
4738 </sect3>
4739 </sect2>
4740
4741 </sect1>
4742
4743 <sect1 id="other-type-extensions">
4744 <title>Other type system extensions</title>
4745
4746 <sect2 id="explicit-foralls"><title>Explicit universal quantification (forall)</title>
4747 <para>
4748 Haskell type signatures are implicitly quantified.  When the language option <option>-XExplicitForAll</option>
4749 is used, the keyword <literal>forall</literal>
4750 allows us to say exactly what this means.  For example:
4751 </para>
4752 <para>
4753 <programlisting>
4754         g :: b -> b
4755 </programlisting>
4756 means this:
4757 <programlisting>
4758         g :: forall b. (b -> b)
4759 </programlisting>
4760 The two are treated identically.
4761 </para>
4762 <para>
4763 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
4764 a type variable any more!
4765 </para>
4766 </sect2>
4767
4768
4769 <sect2 id="flexible-contexts"><title>The context of a type signature</title>
4770 <para>
4771 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag lifts the Haskell 98 restriction
4772 that the type-class constraints in a type signature must have the 
4773 form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
4774 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>. 
4775 With <option>-XFlexibleContexts</option>
4776 these type signatures are perfectly OK
4777 <programlisting>
4778   g :: Eq [a] => ...
4779   g :: Ord (T a ()) => ...
4780 </programlisting>
4781 The flag <option>-XFlexibleContexts</option> also lifts the corresponding
4782 restriction on class declarations (<xref linkend="superclass-rules"/>) and instance declarations
4783 (<xref linkend="instance-rules"/>).
4784 </para>
4785
4786 <para>
4787 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
4788 Consider the type:
4789
4790 <programlisting>
4791   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
4792 </programlisting>
4793
4794 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
4795 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
4796 explicit source-language type signature are universally quantified,
4797 except for the class type variables in a class declaration.  However,
4798 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="explicit-foralls"/>).
4799 </para>
4800
4801 <para>
4802
4803 <orderedlist>
4804 <listitem>
4805
4806 <para>
4807  <emphasis>Each universally quantified type variable
4808 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
4809
4810 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it appears
4811 in the same constraint as either a type variable free in
4812 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
4813 A value with a type that does not obey 
4814 this reachability restriction cannot be used without introducing
4815 ambiguity; that is why the type is rejected.
4816 Here, for example, is an illegal type:
4817
4818
4819 <programlisting>
4820   forall a. Eq a => Int
4821 </programlisting>
4822
4823
4824 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
4825 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
4826 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
4827 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
4828 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
4829 get any more information about <literal>tv</literal>.
4830 </para>
4831 <para>
4832 Note
4833 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
4834 functionally dependent on a type variable free in
4835 <literal>type</literal> (see <xref
4836 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
4837 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
4838 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
4839 For example, consider:
4840 <programlisting>
4841   class C a b | a -> b where ...
4842   class C a b => D a b where ...
4843   f :: forall a b. D a b => a -> a
4844 </programlisting>
4845 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
4846 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
4847 </para>
4848 </listitem>
4849 <listitem>
4850
4851 <para>
4852  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
4853 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
4854
4855 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
4856 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
4857
4858
4859 <programlisting>
4860   forall a. C a b => burble
4861 </programlisting>
4862
4863
4864 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
4865 mention <literal>a</literal>:
4866
4867
4868 <programlisting>
4869   forall a. Eq b => burble
4870 </programlisting>
4871
4872
4873 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
4874 excluded types are never useful or necessary (because the offending
4875 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
4876 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
4877 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
4878 territory free in case we need it later.
4879
4880 </para>
4881 </listitem>
4882
4883 </orderedlist>
4884
4885 </para>
4886
4887 </sect2>
4888
4889 <sect2 id="implicit-parameters">
4890 <title>Implicit parameters</title>
4891
4892 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
4893 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
4894 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
4895 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
4896 Boston, Jan 2000.
4897 </para>
4898
4899 <para>(Most of the following, still rather incomplete, documentation is
4900 due to Jeff Lewis.)</para>
4901
4902 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
4903 <option>-XImplicitParams</option>.</para>
4904
4905 <para>
4906 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
4907 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
4908 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
4909 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
4910 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
4911 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
4912 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
4913 only support static scoping of variables.
4914 </para>
4915 <para>
4916 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
4917 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
4918 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
4919 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
4920 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
4921 of type <literal>t'</literal>". For
4922 example, the following expresses the type of a sort function,
4923 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
4924 <programlisting>
4925   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4926 </programlisting>
4927 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
4928 </para>
4929 <para>
4930 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
4931 where <literal>x</literal> is
4932 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
4933 Use of this construct also introduces a new
4934 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
4935 For example, the following definition
4936 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
4937 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
4938 <programlisting>
4939   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
4940
4941   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4942   sort    = sortBy ?cmp
4943 </programlisting>
4944 </para>
4945
4946 <sect3>
4947 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
4948 <para>
4949 Dynamic binding constraints behave just like other type class
4950 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
4951 function is used, its implicit parameters are inherited by the
4952 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
4953 to pick out the least value in a list:
4954 <programlisting>
4955   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
4956   least xs = head (sort xs)
4957 </programlisting>
4958 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
4959 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
4960 parameters, the default is that parameters must always be explicit
4961 propagated. With implicit parameters, the default is to always
4962 propagate them.
4963 </para>
4964 <para>
4965 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
4966 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
4967 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
4968 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
4969 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
4970 class constraints.
4971 </para>
4972
4973 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
4974 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
4975 <programlisting>
4976   class (?x::Int) => C a where ...
4977   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
4978 </programlisting>
4979 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
4980 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
4981 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
4982 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
4983 <para>
4984 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
4985 <programlisting>
4986    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
4987    f n = n + length ?x
4988
4989    g :: (Read a, Show a) => String -> String
4990    g s = show (read s)
4991 </programlisting>
4992 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
4993 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
4994 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
4995 </para>
4996 </sect3>
4997
4998 <sect3>
4999 <title>Implicit-parameter bindings</title>
5000
5001 <para>
5002 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
5003 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
5004 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
5005 <literal>cmp</literal>.
5006 <programlisting>
5007   min :: [a] -> a
5008   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
5009 </programlisting>
5010 </para>
5011 <para>
5012 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
5013 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
5014 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
5015 or a <literal>where</literal> clause.
5016 Note the following points:
5017 <itemizedlist>
5018 <listitem><para>
5019 An implicit-parameter binding group must be a
5020 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
5021 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
5022 neither polymorphic or recursive.  
5023 </para></listitem>
5024 <listitem><para>
5025 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
5026 single <literal>let</literal>
5027 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
5028 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
5029 </para></listitem>
5030
5031 <listitem><para>
5032 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
5033 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
5034 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
5035 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
5036 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
5037 the meaning of the program.
5038 For example, consider:
5039 <programlisting>
5040   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
5041 </programlisting>
5042 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
5043 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
5044 <programlisting>
5045   f :: (?x::Int) => Int -> Int
5046 </programlisting>
5047 </para></listitem>
5048 </itemizedlist>
5049 </para>
5050
5051 </sect3>
5052
5053 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
5054
5055 <para>
5056 Consider these two definitions:
5057 <programlisting>
5058   len1 :: [a] -> Int
5059   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
5060
5061   len_acc1 [] = ?acc
5062   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
5063
5064   ------------
5065
5066   len2 :: [a] -> Int
5067   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
5068
5069   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
5070   len_acc2 [] = ?acc
5071   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
5072 </programlisting>
5073 The only difference between the two groups is that in the second group
5074 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
5075 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
5076 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
5077 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
5078 has a type signature, the recursive call is made to the
5079 <emphasis>polymorphic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
5080 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
5081 <programlisting>
5082   Prog> len1 "hello"
5083   0
5084   Prog> len2 "hello"
5085   5
5086 </programlisting>
5087 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
5088 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
5089 </para>
5090 </sect3>
5091
5092 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
5093
5094 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
5095 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
5096 <programlisting>
5097  f :: Int -> Int
5098   f v = let ?x = 0     in
5099         let y = ?x + v in
5100         let ?x = 5     in
5101         y
5102 </programlisting>
5103 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
5104 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
5105 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
5106 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
5107 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
5108 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
5109 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
5110 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
5111 <literal>14</literal>.
5112 </para>
5113 </sect3>
5114 </sect2>
5115
5116     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
5117
5118     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
5119     them from the 6.6 user manual
5120
5121 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
5122 <title>Linear implicit parameters</title>
5123 <para>
5124 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
5125 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
5126 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
5127 </para>
5128 <itemizedlist>
5129 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
5130 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
5131 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
5132 </itemizedlist>
5133
5134 <para>
5135 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
5136 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
5137 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
5138 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
5139 (The '/' in the '%' suggests the split!)
5140 </para>
5141 <para>
5142 For example:
5143 <programlisting>
5144     import GHC.Exts( Splittable )
5145
5146     data NameSupply = ...
5147     
5148     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
5149     newName :: NameSupply -> Name
5150
5151     instance Splittable NameSupply where
5152         split = splitNS
5153
5154
5155     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5156     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5157                     where
5158                       x'   = newName %ns
5159                       env' = extend env x x'
5160     ...more equations for f...
5161 </programlisting>
5162 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
5163 <itemizedlist>
5164 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
5165 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
5166 </itemizedlist>
5167 </para>
5168 <para>
5169 So the translation done by the type checker makes
5170 the parameter explicit:
5171 <programlisting>
5172     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
5173     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
5174                        where
5175                          (ns1,ns2) = splitNS ns
5176                          x' = newName ns2
5177                          env = extend env x x'
5178 </programlisting>
5179 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
5180 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
5181 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
5182 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
5183 <programlisting>
5184         class Splittable a where
5185           split :: a -> (a,a)
5186 </programlisting>
5187 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
5188 split for name supplies.  But we can simply write
5189 <programlisting>
5190         g x = (x, %ns, %ns)
5191 </programlisting>
5192 and GHC will infer
5193 <programlisting>
5194         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
5195 </programlisting>
5196 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
5197 <literal>GHC.Exts</literal>.
5198 </para>
5199 <para>
5200 Other points:
5201 <itemizedlist>
5202 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
5203 are entirely distinct implicit parameters: you 
5204   can use them together and they won't interfere with each other. </para>
5205 </listitem>
5206
5207 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
5208
5209 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
5210   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
5211 </itemizedlist>
5212 </para>
5213
5214 <sect3><title>Warnings</title>
5215
5216 <para>
5217 The monomorphism restriction is even more important than usual.
5218 Consider the example above:
5219 <programlisting>
5220     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5221     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5222                     where
5223                       x'   = newName %ns
5224                       env' = extend env x x'
5225 </programlisting>
5226 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
5227 usually a harmless thing to do, we get:
5228 <programlisting>
5229     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5230     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
5231                     where
5232                       env' = extend env x (newName %ns)
5233 </programlisting>
5234 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
5235 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
5236 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
5237 the beta rule.
5238 </para>
5239 <para>
5240 Well, this is an experimental change.  With implicit
5241 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
5242 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
5243 Haskell programs without knowing their typing.
5244 </para>
5245
5246 </sect3>
5247
5248 <sect3><title>Recursive functions</title>
5249 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
5250 Consider
5251 <programlisting>
5252         foo :: %x::T => Int -> [Int]
5253         foo 0 = []
5254         foo n = %x : foo (n-1)
5255 </programlisting>
5256 where T is some type in class Splittable.</para>
5257 <para>
5258 Do you get a list of all the same T's or all different T's
5259 (assuming that split gives two distinct T's back)?
5260 </para><para>
5261 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
5262 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
5263 translated term, where the implicit param is made explicit:
5264 <programlisting>
5265         foo x 0 = []
5266         foo x n = let (x1,x2) = split x
5267                   in x1 : foo x2 (n-1)
5268 </programlisting>
5269 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
5270 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
5271 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
5272 work.  So the translation becomes
5273 <programlisting>
5274         foo x = let
5275                   foom 0 = []
5276                   foom n = x : foom (n-1)
5277                 in
5278                 foom
5279 </programlisting>
5280 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
5281 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
5282 Yikes!
5283 </para><para>
5284 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
5285 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
5286 </para>
5287 </sect3>
5288
5289 </sect2>
5290
5291 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
5292
5293 <sect2 id="kinding">
5294 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
5295
5296 <para>
5297 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
5298 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
5299 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
5300 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
5301 John Hughes had to define the data type:
5302 <screen>
5303      data Set cxt a = Set [a]
5304                     | Unused (cxt a -> ())
5305 </screen>
5306 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
5307 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
5308 </para>
5309 <para>
5310 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
5311 a type variable is explicitly bound, with the flag <option>-XKindSignatures</option>.
5312 </para>
5313 <para>
5314 This flag enables kind signatures in the following places:
5315 <itemizedlist>
5316 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
5317 <screen>
5318   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
5319 </screen></para></listitem>
5320 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
5321 <screen>
5322   type T (f :: * -> *) = f Int
5323 </screen></para></listitem>
5324 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
5325 <screen>
5326   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
5327 </screen></para></listitem>
5328 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
5329 <screen>
5330   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
5331 </screen></para></listitem>
5332 </itemizedlist>
5333 </para>
5334
5335 <para>
5336 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
5337 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
5338 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
5339 single lexeme in Haskell.
5340 </para>
5341
5342 <para>
5343 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
5344 as well.  Thus:
5345 <screen>
5346    f :: (Int :: *) -> Int
5347    g :: forall a. a -> (a :: *)
5348 </screen>
5349 The syntax is
5350 <screen>
5351    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
5352 </screen>
5353 The parentheses are required.
5354 </para>
5355 </sect2>
5356
5357
5358 <sect2 id="universal-quantification">
5359 <title>Arbitrary-rank polymorphism
5360 </title>
5361
5362 <para>
5363 GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
5364 explicit universal quantification in
5365 types. 
5366 For example, all the following types are legal:
5367 <programlisting>
5368     f1 :: forall a b. a -> b -> a
5369     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
5370
5371     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
5372     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
5373
5374     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
5375
5376     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
5377 </programlisting>
5378 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
5379 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
5380 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
5381 is implicitly added by Haskell.
5382 </para>
5383 <para>
5384 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
5385 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
5386 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
5387 </para>
5388 <para>
5389 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
5390 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
5391 </para>
5392 <para>
5393 GHC has three flags to control higher-rank types:
5394 <itemizedlist>
5395 <listitem><para>
5396  <option>-XPolymorphicComponents</option>: data constructors (only) can have polymorphic argument types.
5397 </para></listitem>
5398 <listitem><para>
5399  <option>-XRank2Types</option>: any function (including data constructors) can have a rank-2 type.
5400 </para></listitem>
5401 <listitem><para>
5402  <option>-XRankNTypes</option>: any function (including data constructors) can have an arbitrary-rank type.
5403 That is,  you can nest <literal>forall</literal>s
5404 arbitrarily deep in function arrows.
5405 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
5406 including an operational type class context, is legal:
5407 <itemizedlist>
5408 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
5409 of a function arrow </para> </listitem>
5410 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
5411 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
5412 field type signatures.</para> </listitem>
5413 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
5414 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
5415 </itemizedlist>
5416 </para></listitem>
5417 </itemizedlist>
5418 </para>
5419
5420
5421 <sect3 id="univ">
5422 <title>Examples
5423 </title>
5424
5425 <para>
5426 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
5427 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
5428 </para>
5429
5430 <para>
5431
5432 <programlisting>
5433 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
5434
5435 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
5436                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
5437                         }
5438
5439 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
5440 </programlisting>
5441
5442 </para>
5443
5444 <para>
5445 The constructors have rank-2 types:
5446 </para>
5447
5448 <para>
5449
5450 <programlisting>
5451 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
5452 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
5453                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
5454                   -> MonadT m
5455 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
5456 </programlisting>
5457
5458 </para>
5459
5460 <para>
5461 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
5462 explicit context.  For example in the first argument of the
5463 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
5464 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
5465 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
5466 mentioned in the type quantified over.
5467 </para>
5468
5469 <para>
5470 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
5471 types too.  So if you write this:
5472
5473 <programlisting>
5474   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
5475 </programlisting>
5476
5477 it's just as if you had written this:
5478
5479 <programlisting>
5480   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
5481 </programlisting>
5482
5483 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
5484 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
5485 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
5486 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
5487 </para>
5488
5489 <para>
5490 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
5491 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
5492 </para>
5493
5494 <para>
5495
5496 <programlisting>
5497     a1 :: T Int
5498     a1 = T1 (\xy->x) 3
5499     
5500     a2, a3 :: Swizzle
5501     a2 = MkSwizzle sort
5502     a3 = MkSwizzle reverse
5503     
5504     a4 :: MonadT Maybe
5505     a4 = let r x = Just x
5506              b m k = case m of
5507                        Just y -> k y
5508                        Nothing -> Nothing
5509          in
5510          MkMonad r b
5511
5512     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
5513     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
5514 </programlisting>
5515
5516 </para>
5517
5518 <para>
5519 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
5520 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
5521 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
5522 </para>
5523
5524 <para>
5525 When you use pattern matching, the bound variables may now have
5526 polymorphic types.  For example:
5527 </para>
5528
5529 <para>
5530
5531 <programlisting>
5532     f :: T a -> a -> (a, Char)
5533     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5534
5535     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
5536     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
5537
5538     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
5539     h m [] = return m []
5540     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
5541                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
5542                  return m (y:ys)
5543 </programlisting>
5544
5545 </para>
5546
5547 <para>
5548 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
5549 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
5550 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
5551 matching.
5552 </para>
5553 </sect3>
5554
5555 <sect3>
5556 <title>Type inference</title>
5557
5558 <para>
5559 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
5560 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
5561 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
5562 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
5563 </para>
5564 <para>
5565 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
5566 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
5567 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
5568 </para>
5569 <para>
5570 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
5571 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
5572 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
5573 <programlisting>
5574      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
5575 </programlisting>
5576 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
5577 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
5578 <programlisting>
5579      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5580 </programlisting>
5581 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
5582 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
5583 one can give a type signature for the function itself:
5584 <programlisting>
5585      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5586      h f = (f True, f 'c')
5587 </programlisting>
5588 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
5589 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
5590 <programlisting>
5591     f :: T a -> a -> (a, Char)
5592     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5593 </programlisting>
5594 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
5595 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
5596 it needs to know.
5597 </para>
5598
5599 </sect3>
5600
5601
5602 <sect3 id="implicit-quant">
5603 <title>Implicit quantification</title>
5604
5605 <para>
5606 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
5607 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
5608 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
5609 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
5610 equivalent:
5611 <programlisting>
5612   f :: a -> a
5613   f :: forall a. a -> a
5614
5615   g (x::a) = let
5616                 h :: a -> b -> b
5617                 h x y = y
5618              in ...
5619   g (x::a) = let
5620                 h :: forall b. a -> b -> b
5621                 h x y = y
5622              in ...
5623 </programlisting>
5624 </para>
5625 <para>
5626 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
5627 point.  For example:
5628 <programlisting>
5629   f :: (a -> a) -> Int
5630            -- MEANS
5631   f :: forall a. (a -> a) -> Int
5632            -- NOT
5633   f :: (forall a. a -> a) -> Int
5634
5635
5636   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
5637            -- MEANS the illegal type
5638   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
5639            -- NOT
5640   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
5641 </programlisting>
5642 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
5643 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
5644 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
5645 for rank-2 types.
5646 </para>
5647 </sect3>
5648 </sect2>
5649
5650
5651 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
5652 <title>Impredicative polymorphism
5653 </title>
5654 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>, 
5655 enabled with <option>-XImpredicativeTypes</option>.  
5656 This means
5657 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
5658 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
5659 <programlisting>
5660   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
5661   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
5662   f Nothing  = Nothing
5663 </programlisting>
5664 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
5665 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
5666 [a])</literal>.
5667 </para>
5668 <para>The technical details of this extension are described in the paper
5669 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy/">Boxy types:
5670 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
5671 which appeared at ICFP 2006.  
5672 </para>
5673 </sect2>
5674
5675 <sect2 id="scoped-type-variables">
5676 <title>Lexically scoped type variables
5677 </title>
5678
5679 <para>
5680 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
5681 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
5682 <programlisting>
5683 f :: forall a. [a] -> [a]
5684 f xs = ys ++ ys
5685      where
5686        ys :: [a]
5687        ys = reverse xs
5688 </programlisting>
5689 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope,
5690 because of the explicit <literal>forall</literal> (<xref linkend="decl-type-sigs"/>).
5691 The type variables bound by a <literal>forall</literal> scope over
5692 the entire definition of the accompanying value declaration.
5693 In this example, the type variable <literal>a</literal> scopes over the whole 
5694 definition of <literal>f</literal>, including over
5695 the type signature for <varname>ys</varname>. 
5696 In Haskell 98 it is not possible to declare
5697 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
5698 it becomes possible to do so.
5699 </para>
5700 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
5701 <option>-XScopedTypeVariables</option>.  This flag implies <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
5702 </para>
5703 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
5704 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
5705 carefully!</para>
5706
5707 <sect3>
5708 <title>Overview</title>
5709
5710 <para>The design follows the following principles
5711 <itemizedlist>
5712 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
5713 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
5714 design.)</para></listitem>
5715 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
5716 type variables.  This means that every programmer-written type signature
5717 (including one that contains free scoped type variables) denotes a
5718 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
5719 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
5720 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
5721 changing the program.</para></listitem>
5722 </itemizedlist>
5723 </para>
5724 <para>
5725 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
5726 <itemizedlist>
5727 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
5728 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
5729 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
5730 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
5731 </itemizedlist>
5732 </para>
5733 <para>
5734 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantified over
5735 its free type variables (<ulink
5736 url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
5737 4.1.2</ulink> 
5738 of the Haskell Report).
5739 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
5740 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
5741 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
5742 then
5743 <programlisting>
5744   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
5745   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
5746   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
5747 </programlisting>
5748 </para>
5749
5750
5751 </sect3>
5752
5753
5754 <sect3 id="decl-type-sigs">
5755 <title>Declaration type signatures</title>
5756 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5757 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5758 explicitly-quantified
5759 type variables, in the definition of the named function.  For example:
5760 <programlisting>
5761   f :: forall a. [a] -> [a]
5762   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5763 </programlisting>
5764 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
5765 the definition of "<literal>f</literal>".
5766 </para>
5767 <para>This only happens if:
5768 <itemizedlist>
5769 <listitem><para> The quantification in <literal>f</literal>'s type
5770 signature is explicit.  For example:
5771 <programlisting>
5772   g :: [a] -> [a]
5773   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5774 </programlisting>
5775 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
5776 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
5777 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
5778 quantification rules.
5779 </para></listitem>
5780 <listitem><para> The signature gives a type for a function binding or a bare variable binding, 
5781 not a pattern binding.
5782 For example:
5783 <programlisting>
5784   f1 :: forall a. [a] -> [a]
5785   f1 (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5786
5787   f2 :: forall a. [a] -> [a]
5788   f2 = \(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5789
5790   f3 :: forall a. [a] -> [a] 
5791   Just f3 = Just (\(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ])   -- Not OK!
5792 </programlisting>
5793 The binding for <literal>f3</literal> is a pattern binding, and so its type signature
5794 does not bring <literal>a</literal> into scope.   However <literal>f1</literal> is a
5795 function binding, and <literal>f2</literal> binds a bare variable; in both cases
5796 the type signature brings <literal>a</literal> into scope.
5797 </para></listitem>
5798 </itemizedlist>
5799 </para>
5800 </sect3>
5801
5802 <sect3 id="exp-type-sigs">
5803 <title>Expression type signatures</title>
5804
5805 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5806 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5807 explicitly-quantified
5808 type variables, in the annotated expression.  For example:
5809 <programlisting>
5810   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
5811 </programlisting>
5812 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
5813 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
5814 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
5815 </para>
5816
5817 </sect3>
5818
5819 <sect3 id="pattern-type-sigs">
5820 <title>Pattern type signatures</title>
5821 <para>
5822 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
5823 signature</emphasis>. 
5824 For example:
5825 <programlisting>
5826   -- f and g assume that 'a' is already in scope
5827   f = \(x::Int, y::a) -> x
5828   g (x::a) = x
5829   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
5830 </programlisting>
5831 In the case where all the type variables in the pattern type signature are
5832 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
5833 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
5834 </para>
5835 <para>
5836 Unlike expression and declaration type signatures, pattern type signatures are not implicitly generalised.
5837 The pattern in a <emphasis>pattern binding</emphasis> may only mention type variables
5838 that are already in scope.  For example:
5839 <programlisting>
5840   f :: forall a. [a] -> (Int, [a])
5841   f xs = (n, zs)
5842     where
5843       (ys::[a], n) = (reverse xs, length xs) -- OK
5844       zs::[a] = xs ++ ys                     -- OK
5845
5846       Just (v::b) = ...  -- Not OK; b is not in scope
5847 </programlisting>
5848 Here, the pattern signatures for <literal>ys</literal> and <literal>zs</literal>
5849 are fine, but the one for <literal>v</literal> is not because <literal>b</literal> is
5850 not in scope. 
5851 </para>
5852 <para>
5853 However, in all patterns <emphasis>other</emphasis> than pattern bindings, a pattern
5854 type signature may mention a type variable that is not in scope; in this case,
5855 <emphasis>the signature brings that type variable into scope</emphasis>.
5856 This is particularly important for existential data constructors.  For example:
5857 <programlisting>
5858   data T = forall a. MkT [a]
5859
5860   k :: T -> T
5861   k (MkT [t::a]) = MkT t3
5862                  where
5863                    t3::[a] = [t,t,t]
5864 </programlisting>
5865 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
5866 variable that is not already in scope.  Indeed, it <emphasis>cannot</emphasis> already be in scope,
5867 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
5868 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
5869 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
5870 existentially-bound type variable.
5871 </para>
5872 <para>
5873 When a pattern type signature binds a type variable in this way, GHC insists that the 
5874 type variable is bound to a <emphasis>rigid</emphasis>, or fully-known, type variable.
5875 This means that any user-written type signature always stands for a completely known type.
5876 </para>
5877 <para>
5878 If all this seems a little odd, we think so too.  But we must have
5879 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
5880 could not name existentially-bound type variables in subsequent type signatures.
5881 </para>
5882 <para>
5883 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
5884 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
5885 scope.
5886 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
5887 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
5888 </para>
5889
5890
5891 </sect3>
5892
5893 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
5894
5895 <sect3 id="result-type-sigs">
5896 <title>Result type signatures</title>
5897
5898 <para>
5899 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
5900
5901 <programlisting>
5902   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5903   f x y :: [a] = [x,y,x]
5904
5905   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
5906
5907   h :: forall a. [a] -> a
5908   h xs = case xs of
5909             (y:ys) :: a -> y
5910 </programlisting>
5911 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
5912 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
5913 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
5914 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
5915 </para>
5916 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
5917 <para>
5918 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
5919 examples would parse quite differently with parentheses:
5920 <programlisting>
5921   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5922   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
5923
5924   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
5925
5926   h :: forall a. [a] -> a
5927   h xs = case xs of
5928             ((y:ys) :: a) -> y
5929 </programlisting>
5930 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
5931 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
5932 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
5933
5934 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
5935 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
5936 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
5937 consider how one would parse this:
5938 <programlisting>
5939   \ x :: a -> b -> x
5940 </programlisting>
5941 </para>
5942 </sect3>
5943
5944  -->
5945
5946 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
5947 <title>Class and instance declarations</title>
5948 <para>
5949
5950 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
5951 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
5952
5953
5954 <programlisting>
5955   class C a where
5956     op :: [a] -> a
5957
5958     op xs = let ys::[a]
5959                 ys = reverse xs
5960             in
5961             head ys
5962 </programlisting>
5963 </para>
5964 </sect3>
5965
5966 </sect2>
5967
5968
5969 <sect2 id="typing-binds">
5970 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
5971
5972 <para>
5973 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
5974 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
5975 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
5976 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
5977 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
5978 As each group is type-checked, any binders of the group that
5979 have
5980 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
5981 polymorphic type,
5982 and all others are monomorphic until the group is generalised 
5983 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
5984 </para>
5985
5986 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
5987 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/424440.html">Typing Haskell in
5988 Haskell</ulink>,
5989 GHC implements a more general scheme.  If <option>-XRelaxedPolyRec</option> is
5990 specified:
5991 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
5992 type signature</emphasis>.
5993 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
5994 typecheck.  For example, consider:
5995 <programlisting>
5996   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
5997   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
5998   
5999   g y = (y &lt;= y) || f True
6000 </programlisting>
6001 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
6002 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
6003 <literal>f</literal>,
6004 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
6005 hand side is ignored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
6006 type is generalised, to get
6007 <programlisting>
6008   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
6009 </programlisting>
6010 Now, the definition for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
6011 <literal>g</literal> in the type environment.
6012 </para>
6013
6014 <para>
6015 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
6016 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
6017 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
6018 <option>-XRelaxedPolyRec</option>
6019 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
6020 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
6021 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
6022 <programlisting>
6023   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
6024   f x = (x == x) || g True
6025   
6026   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
6027   g y = (y &lt;= y) || f True
6028 </programlisting>
6029 </para>
6030 </sect2>
6031
6032 <sect2 id="mono-local-binds">
6033 <title>Monomorphic local bindings</title>
6034 <para>
6035 We are actively thinking of simplifying GHC's type system, by <emphasis>not generalising local bindings</emphasis>.
6036 The rationale is described in the paper 
6037 <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/constraints/index.htm">Let should not be generalised</ulink>.
6038 </para>
6039 <para>
6040 The experimental new behaviour is enabled by the flag <option>-XMonoLocalBinds</option>.  The effect is
6041 that local (that is, non-top-level) bindings without a type signature are not generalised at all.  You can
6042 think of it as an extreme (but much more predictable) version of the Monomorphism Restriction.
6043 If you supply a type signature, then the flag has no effect.
6044 </para>
6045 </sect2>
6046
6047 </sect1>
6048 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
6049   
6050 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
6051
6052 <sect1 id="template-haskell">
6053 <title>Template Haskell</title>
6054
6055 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
6056 Haskell.  
6057 The background to
6058 the main technical innovations is discussed in "<ulink
6059 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/">
6060 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
6061 </para>
6062 <para>
6063 There is a Wiki page about
6064 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6065 http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell</ulink>, and that is the best place to look for
6066 further details.
6067 You may also 
6068 consult the <ulink
6069 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
6070 Haskell library reference material</ulink> 
6071 (look for module <literal>Language.Haskell.TH</literal>).
6072 Many changes to the original design are described in 
6073       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/notes2.ps">
6074 Notes on Template Haskell version 2</ulink>.
6075 Not all of these changes are in GHC, however.
6076 </para>
6077
6078 <para> The first example from that paper is set out below (<xref linkend="th-example"/>) 
6079 as a worked example to help get you started. 
6080 </para>
6081
6082 <para>
6083 The documentation here describes the realisation of Template Haskell in GHC.  It is not detailed enough to 
6084 understand Template Haskell; see the <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6085 Wiki page</ulink>.
6086 </para>
6087
6088     <sect2>
6089       <title>Syntax</title>
6090
6091       <para> Template Haskell has the following new syntactic
6092       constructions.  You need to use the flag
6093       <option>-XTemplateHaskell</option>
6094         <indexterm><primary><option>-XTemplateHaskell</option></primary>
6095       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
6096       (<option>-XTemplateHaskell</option> is no longer implied by
6097       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
6098
6099         <itemizedlist>
6100               <listitem><para>
6101                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
6102                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
6103                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
6104                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
6105                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
6106                   </para>
6107               <para> A splice can occur in place of 
6108                   <itemizedlist>
6109                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
6110                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
6111                     <listitem><para> an type; the spliced expression must
6112                     have type <literal>Q Typ</literal></para></listitem>
6113                     <listitem><para> a list of top-level declarations; the spliced expression 
6114                     must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
6115                     </itemizedlist>
6116             Inside a splice you can can only call functions defined in imported modules,
6117         not functions defined elsewhere in the same module.</para></listitem>
6118
6119               <listitem><para>
6120                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
6121                   <itemizedlist>
6122                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
6123                              the quotation has type <literal>Q Exp</literal>.</para></listitem>
6124                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
6125                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
6126                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;
6127                              the quotation has type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
6128                   </itemizedlist></para></listitem>
6129
6130               <listitem><para>
6131                   A quasi-quotation can appear in either a pattern context or an
6132                   expression context and is also written in Oxford brackets:
6133                   <itemizedlist>
6134                     <listitem><para> <literal>[$<replaceable>varid</replaceable>| ... |]</literal>,
6135                         where the "..." is an arbitrary string; a full description of the
6136                         quasi-quotation facility is given in <xref linkend="th-quasiquotation"/>.</para></listitem>
6137                   </itemizedlist></para></listitem>
6138
6139               <listitem><para>
6140                   A name can be quoted with either one or two prefix single quotes:
6141                   <itemizedlist>
6142                     <listitem><para> <literal>'f</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the function <literal>f</literal>.
6143                   Similarly <literal>'C</literal> has type <literal>Name</literal> and names the data constructor <literal>C</literal>.
6144                   In general <literal>'</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in an expression context.
6145                      </para></listitem> 
6146                     <listitem><para> <literal>''T</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the type constructor  <literal>T</literal>.
6147                   That is, <literal>''</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in a type context.
6148                      </para></listitem> 
6149                   </itemizedlist>
6150                   These <literal>Names</literal> can be used to construct Template Haskell expressions, patterns, declarations etc.  They
6151                   may also be given as an argument to the <literal>reify</literal> function.
6152                  </para>
6153                 </listitem>
6154
6155               <listitem><para> You may omit the <literal>$(...)</literal> in a top-level declaration splice. 
6156               Simply writing an expression (rather than a declaration) implies a splice.  For example, you can write
6157 <programlisting>
6158 module Foo where
6159 import Bar
6160
6161 f x = x
6162
6163 $(deriveStuff 'f)   -- Uses the $(...) notation
6164
6165 g y = y+1
6166
6167 deriveStuff 'g      -- Omits the $(...)
6168
6169 h z = z-1
6170 </programlisting>
6171             This abbreviation makes top-level declaration slices quieter and less intimidating.
6172             </para></listitem>
6173
6174                   
6175         </itemizedlist>
6176 (Compared to the original paper, there are many differences of detail.
6177 The syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>".
6178 The type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>.
6179 Pattern splices and quotations are not implemented.)
6180
6181 </sect2>
6182
6183 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
6184 <para>
6185 <itemizedlist>
6186     <listitem><para>
6187     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
6188     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
6189     </para></listitem>
6190
6191     <listitem><para>
6192     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
6193             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
6194             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
6195    </para></listitem>
6196
6197    <listitem><para>
6198    You can only run a function at compile time if it is imported
6199    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
6200    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  Furthermore, all of the modules of 
6201    the mutually-recursive group must be reachable by non-SOURCE imports from the module where the
6202    splice is to be run.</para>
6203    <para>
6204    For example, when compiling module A,
6205    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
6206    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
6207    </para></listitem>
6208
6209     <listitem><para>
6210             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
6211    </para></listitem>
6212     <listitem><para>
6213             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
6214               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
6215               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
6216               the program it compiles produces results whose representations are identical to
6217               those of the compiler itself.
6218    </para></listitem>
6219 </itemizedlist>
6220 </para>
6221 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
6222         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
6223         has been lifted.
6224 </para>
6225 </sect2>
6226  
6227 <sect2 id="th-example">  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
6228 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
6229   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
6230
6231 <programlisting>
6232
6233 {- Main.hs -}
6234 module Main where
6235
6236 -- Import our template "pr"
6237 import Printf ( pr )
6238
6239 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
6240 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
6241 -- the argument of "putStrLn".
6242 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
6243
6244
6245 {- Printf.hs -}
6246 module Printf where
6247
6248 -- Skeletal printf from the paper.
6249 -- It needs to be in a separate module to the one where
6250 -- you intend to use it.
6251
6252 -- Import some Template Haskell syntax
6253 import Language.Haskell.TH
6254
6255 -- Describe a format string
6256 data Format = D | S | L String
6257
6258 -- Parse a format string.  This is left largely to you
6259 -- as we are here interested in building our first ever
6260 -- Template Haskell program and not in building printf.
6261 parse :: String -> [Format]
6262 parse s   = [ L s ]
6263
6264 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
6265 -- of the format string.  This code will be spliced into
6266 -- the module which calls "pr", at compile time.
6267 gen :: [Format] -> Q Exp
6268 gen [D]   = [| \n -> show n |]
6269 gen [S]   = [| \s -> s |]
6270 gen [L s] = stringE s
6271
6272 -- Here we generate the Haskell code for the splice
6273 -- from an input format string.
6274 pr :: String -> Q Exp
6275 pr s = gen (parse s)
6276 </programlisting>
6277
6278 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
6279 </para>
6280 <programlisting>
6281 $ ghc --make -XTemplateHaskell main.hs -o main.exe
6282 </programlisting>
6283
6284 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
6285
6286 <programlisting>
6287 $ ./main
6288 Hello
6289 </programlisting>
6290
6291 </sect2>
6292
6293 <sect2>
6294 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
6295 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
6296  
6297 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
6298 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
6299 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
6300 itself is running; this means that the compiled code referred to by
6301 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
6302 in particular this means that object code that is compiled for
6303 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
6304 expression, because profiled object code is only compatible with the
6305 profiling version of the runtime.</para>
6306
6307 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
6308 containing Template Haskell code and you need to compile it for
6309 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
6310 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
6311 The basic idea is to compile the program twice:</para>
6312
6313 <orderedlist>
6314 <listitem>
6315   <para>Compile the program or library first the normal way, without
6316   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
6317 </listitem>
6318 <listitem>
6319   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
6320   additionally use <option>-osuf
6321   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
6322   to name the object files differently (you can choose any suffix
6323   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
6324   load the object files built in the first step when executing splice
6325   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
6326   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
6327   GHC will emit an error message. </para>
6328 </listitem>
6329 </orderedlist>
6330 </sect2>
6331
6332 <sect2 id="th-quasiquotation">  <title> Template Haskell Quasi-quotation </title>
6333 <para>Quasi-quotation allows patterns and expressions to be written using
6334 programmer-defined concrete syntax; the motivation behind the extension and
6335 several examples are documented in
6336 "<ulink url="http://www.eecs.harvard.edu/~mainland/ghc-quasiquoting/">Why It's
6337 Nice to be Quoted: Quasiquoting for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop
6338 2007). The example below shows how to write a quasiquoter for a simple
6339 expression language.</para>
6340
6341 <para>
6342 In the example, the quasiquoter <literal>expr</literal> is bound to a value of
6343 type <literal>Language.Haskell.TH.Quote.QuasiQuoter</literal> which contains two
6344 functions for quoting expressions and patterns, respectively. The first argument
6345 to each quoter is the (arbitrary) string enclosed in the Oxford brackets. The
6346 context of the quasi-quotation statement determines which of the two parsers is
6347 called: if the quasi-quotation occurs in an expression context, the expression
6348 parser is called, and if it occurs in a pattern context, the pattern parser is
6349 called.</para>
6350
6351 <para>
6352 Note that in the example we make use of an antiquoted
6353 variable <literal>n</literal>, indicated by the syntax <literal>'int:n</literal>
6354 (this syntax for anti-quotation was defined by the parser's
6355 author, <emphasis>not</emphasis> by GHC). This binds <literal>n</literal> to the
6356 integer value argument of the constructor <literal>IntExpr</literal> when
6357 pattern matching. Please see the referenced paper for further details regarding
6358 anti-quotation as well as the description of a technique that uses SYB to
6359 leverage a single parser of type <literal>String -> a</literal> to generate both
6360 an expression parser that returns a value of type <literal>Q Exp</literal> and a
6361 pattern parser that returns a value of type <literal>Q Pat</literal>.
6362 </para>
6363
6364 <para>In general, a quasi-quote has the form
6365 <literal>[$<replaceable>quoter</replaceable>| <replaceable>string</replaceable> |]</literal>.
6366 The <replaceable>quoter</replaceable> must be the name of an imported quoter; it
6367 cannot be an arbitrary expression.  The quoted <replaceable>string</replaceable> 
6368 can be arbitrary, and may contain newlines.
6369 </para>
6370 <para>
6371 Quasiquoters must obey the same stage restrictions as Template Haskell, e.g., in
6372 the example, <literal>expr</literal> cannot be defined
6373 in <literal>Main.hs</literal> where it is used, but must be imported.
6374 </para>
6375
6376 <programlisting>
6377
6378 {- Main.hs -}
6379 module Main where
6380
6381 import Expr
6382
6383 main :: IO ()
6384 main = do { print $ eval [$expr|1 + 2|]
6385           ; case IntExpr 1 of
6386               { [$expr|'int:n|] -> print n
6387               ;  _              -> return ()
6388               }
6389           }
6390
6391
6392 {- Expr.hs -}
6393 module Expr where
6394
6395 import qualified Language.Haskell.TH as TH
6396 import Language.Haskell.TH.Quote
6397
6398 data Expr  =  IntExpr Integer
6399            |  AntiIntExpr String
6400            |  BinopExpr BinOp Expr Expr
6401            |  AntiExpr String
6402     deriving(Show, Typeable, Data)
6403
6404 data BinOp  =  AddOp
6405             |  SubOp
6406             |  MulOp
6407             |  DivOp
6408     deriving(Show, Typeable, Data)
6409
6410 eval :: Expr -> Integer
6411 eval (IntExpr n)        = n
6412 eval (BinopExpr op x y) = (opToFun op) (eval x) (eval y)
6413   where
6414     opToFun AddOp = (+)
6415     opToFun SubOp = (-)
6416     opToFun MulOp = (*)
6417     opToFun DivOp = div
6418
6419 expr = QuasiQuoter parseExprExp parseExprPat
6420
6421 -- Parse an Expr, returning its representation as
6422 -- either a Q Exp or a Q Pat. See the referenced paper
6423 -- for how to use SYB to do this by writing a single
6424 -- parser of type String -> Expr instead of two
6425 -- separate parsers.
6426
6427 parseExprExp :: String -> Q Exp
6428 parseExprExp ...
6429
6430 parseExprPat :: String -> Q Pat
6431 parseExprPat ...
6432 </programlisting>
6433
6434 <para>Now run the compiler:
6435 </para>
6436 <programlisting>
6437 $ ghc --make -XQuasiQuotes Main.hs -o main
6438 </programlisting>
6439
6440 <para>Run "main" and here is your output:</para>
6441
6442 <programlisting>
6443 $ ./main
6444 3
6445 1
6446 </programlisting>
6447
6448 </sect2>
6449
6450 </sect1>
6451
6452 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
6453
6454 <sect1 id="arrow-notation">
6455 <title>Arrow notation
6456 </title>
6457
6458 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
6459 For more details, see
6460 <itemizedlist>
6461
6462 <listitem>
6463 <para>
6464 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
6465 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
6466 pp67&ndash;111, May 2000.
6467 The paper that introduced arrows: a friendly introduction, motivated with
6468 programming examples.
6469 </para>
6470 </listitem>
6471
6472 <listitem>
6473 <para>
6474 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
6475 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
6476 Introduced the notation described here.
6477 </para>
6478 </listitem>
6479
6480 <listitem>
6481 <para>
6482 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
6483 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
6484 Palgrave, 2003.
6485 </para>
6486 </listitem>
6487
6488 <listitem>
6489 <para>
6490 &ldquo;<ulink url="http://www.cs.chalmers.se/~rjmh/afp-arrows.pdf">Programming with Arrows</ulink>&rdquo;,
6491 John Hughes, in <citetitle>5th International Summer School on
6492 Advanced Functional Programming</citetitle>,
6493 <citetitle>Lecture Notes in Computer Science</citetitle> vol. 3622,
6494 Springer, 2004.
6495 This paper includes another introduction to the notation,
6496 with practical examples.
6497 </para>
6498 </listitem>
6499
6500 <listitem>
6501 <para>
6502 &ldquo;<ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/papers/arrow-rules.pdf">Type and Translation Rules for Arrow Notation in GHC</ulink>&rdquo;,
6503 Ross Paterson and Simon Peyton Jones, September 16, 2004.
6504 A terse enumeration of the formal rules used
6505 (extracted from comments in the source code).
6506 </para>
6507 </listitem>
6508
6509 <listitem>
6510 <para>
6511 The arrows web page at
6512 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
6513 </para>
6514 </listitem>
6515
6516 </itemizedlist>
6517 With the <option>-XArrows</option> flag, GHC supports the arrow
6518 notation described in the second of these papers,
6519 translating it using combinators from the
6520 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6521 module.
6522 What follows is a brief introduction to the notation;
6523 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
6524 </para>
6525
6526 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
6527 <screen>
6528 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
6529        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6530 </screen>
6531 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
6532 The variables of the pattern are bound in the body of the 
6533 <literal>proc</literal>-expression,
6534 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
6535 The syntax of commands is as follows:
6536 <screen>
6537 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
6538        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
6539        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
6540 </screen>
6541 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
6542 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
6543 infix operators as for expressions, and
6544 <screen>
6545 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6546        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
6547        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
6548        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
6549        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
6550        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
6551
6552 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
6553        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
6554        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
6555
6556 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
6557        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
6558        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
6559        |  <replaceable>cmd</replaceable>
6560 </screen>
6561 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
6562 except that the bodies are commands instead of expressions.
6563 </para>
6564
6565 <para>
6566 Commands produce values, but (like monadic computations)
6567 may yield more than one value,
6568 or none, and may do other things as well.
6569 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
6570 using commands.
6571 However the values of expressions, even monadic ones,
6572 are determined by the values of the variables they contain;
6573 this is not necessarily the case for commands.
6574 </para>
6575
6576 <para>
6577 A simple example of the new notation is the expression
6578 <screen>
6579 proc x -> f -&lt; x+1
6580 </screen>
6581 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
6582 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
6583 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
6584 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
6585 It refers to the input to the arrow.
6586 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
6587 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
6588 type and an expression to be fed as input to that arrow.
6589 (The weird look will make more sense later.)
6590 It may be read as analogue of application for arrows.
6591 The above example is equivalent to the Haskell expression
6592 <screen>
6593 arr (\ x -> x+1) >>> f
6594 </screen>
6595 That would make no sense if the expression to the left of
6596 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
6597 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
6598 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
6599 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
6600 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
6601 <screen>
6602 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
6603 </screen>
6604 which is equivalent to
6605 <screen>
6606 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
6607 </screen>
6608 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
6609 class.
6610 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
6611 you may find a monadic formulation more convenient.
6612 </para>
6613
6614 <sect2>
6615 <title>do-notation for commands</title>
6616
6617 <para>
6618 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
6619 For example, you can write
6620 <screen>
6621 proc x -> do
6622         y &lt;- f -&lt; x+1
6623         g -&lt; 2*y
6624         let z = x+y
6625         t &lt;- h -&lt; x*z
6626         returnA -&lt; t+z
6627 </screen>
6628 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
6629 but with commands in place of monadic expressions.
6630 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
6631 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
6632 <literal>y</literal>.
6633 In the next line, the output is discarded.
6634 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
6635 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6636 module as <literal>arr id</literal>.
6637 The above example is treated as an abbreviation for
6638 <screen>
6639 arr (\ x -> (x, x)) >>>
6640         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
6641         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
6642         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
6643         arr snd >>>
6644         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
6645         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
6646         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
6647         returnA
6648 </screen>
6649 Note that variables not used later in the composition are projected out.
6650 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
6651 defined in the
6652 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6653 module, this reduces to
6654 <screen>
6655 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
6656         first f >>>
6657         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
6658         first g >>>
6659         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
6660         first h >>>
6661         arr (\ (t, z) -> t+z)
6662 </screen>
6663 which is what you might have written by hand.
6664 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
6665 </para>
6666
6667 <para>
6668 Note that although the above translation suggests that
6669 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
6670 monomorphic, the actual translation produces Core,
6671 so polymorphic variables are allowed.
6672 </para>
6673
6674 <para>
6675 It's also possible to have mutually recursive bindings,
6676 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
6677 <programlisting>
6678 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
6679 counter = proc reset -> do
6680         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
6681                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
6682         returnA -&lt; output
6683 </programlisting>
6684 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
6685 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
6686 </para>
6687
6688 </sect2>
6689
6690 <sect2>
6691 <title>Conditional commands</title>
6692
6693 <para>
6694 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
6695 input for an arrow.
6696 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
6697 <screen>
6698 proc (x,y) ->
6699         if f x y
6700         then g -&lt; x+1
6701         else h -&lt; y+2
6702 </screen>
6703 which is translated to
6704 <screen>
6705 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
6706         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
6707 </screen>
6708 Since the translation uses <function>|||</function>,
6709 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
6710 </para>
6711
6712 <para>
6713 There are also <literal>case</literal> commands, like
6714 <screen>
6715 case input of
6716     [] -> f -&lt; ()
6717     [x] -> g -&lt; x+1
6718     x1:x2:xs -> do
6719         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
6720         ys &lt;- k -&lt; xs
6721         returnA -&lt; y:ys
6722 </screen>
6723 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
6724 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
6725 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
6726 </para>
6727
6728 </sect2>
6729
6730 <sect2>
6731 <title>Defining your own control structures</title>
6732
6733 <para>
6734 As we're seen, arrow notation provides constructs,
6735 modelled on those for expressions,
6736 for sequencing, value recursion and conditionals.
6737 But suitable combinators,
6738 which you can define in ordinary Haskell,
6739 may also be used to build new commands out of existing ones.
6740 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
6741 These environments assign values to the free local variables of the command.
6742 Thus combinators that produce arrows from arrows
6743 may also be used to build commands from commands.
6744 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
6745 <programlisting>
6746 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
6747 </programlisting>
6748 so we can use it to build commands:
6749 <programlisting>
6750 expr' = proc x -> do
6751                 returnA -&lt; x
6752         &lt;+> do
6753                 symbol Plus -&lt; ()
6754                 y &lt;- term -&lt; ()
6755                 expr' -&lt; x + y
6756         &lt;+> do
6757                 symbol Minus -&lt; ()
6758                 y &lt;- term -&lt; ()
6759                 expr' -&lt; x - y
6760 </programlisting>
6761 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
6762 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
6763 expression on the previous line.)
6764 This is equivalent to
6765 <programlisting>
6766 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
6767         &lt;+> (proc x -> do
6768                 symbol Plus -&lt; ()
6769                 y &lt;- term -&lt; ()
6770                 expr' -&lt; x + y)
6771         &lt;+> (proc x -> do
6772                 symbol Minus -&lt; ()
6773                 y &lt;- term -&lt; ()
6774                 expr' -&lt; x - y)
6775 </programlisting>
6776 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
6777 (representing the environment input to the command
6778 and thence to its subcommands)
6779 and satisfy the corresponding naturality property
6780 <screen>
6781 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
6782 </screen>
6783 at least for strict <literal>k</literal>.
6784 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
6785 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
6786 of the whole command,
6787 and also allows the translation to safely trim these environments.
6788 The operator must also not use any variable defined within the current
6789 arrow abstraction.
6790 </para>
6791
6792 <para>
6793 We could define our own operator
6794 <programlisting>
6795 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
6796 untilA body cond = proc x ->
6797         b &lt;- cond -&lt; x
6798         if b then returnA -&lt; ()
6799         else do
6800                 body -&lt; x
6801                 untilA body cond -&lt; x
6802 </programlisting>
6803 and use it in the same way.
6804 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
6805 there is also a more general syntax involving special brackets:
6806 <screen>
6807 proc x -> do
6808         y &lt;- f -&lt; x+1
6809         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
6810 </screen>
6811 </para>
6812
6813 </sect2>
6814
6815 <sect2>
6816 <title>Primitive constructs</title>
6817
6818 <para>
6819 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
6820 For example, in an arrow type supporting exceptions,
6821 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
6822 exception that occurred to the handler.
6823 Such an operator might have a type
6824 <screen>
6825 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
6826 </screen>
6827 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
6828 You could then use this with arrow notation by writing a command
6829 <screen>
6830 body `handleA` \ ex -> handler
6831 </screen>
6832 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
6833 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
6834 and the command <literal>handler</literal>,
6835 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
6836 Though the syntax here looks like a functional lambda,
6837 we are talking about commands, and something different is going on.
6838 The input to the arrow represented by a command consists of values for
6839 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
6840 In all the prior examples, this stack was empty.
6841 In the second argument to <function>handleA</function>,
6842 this stack consists of one value, the value of the exception.
6843 The command form of lambda merely gives this value a name.
6844 </para>
6845
6846 <para>
6847 More concretely,
6848 the values on the stack are paired to the right of the environment.
6849 So operators like <function>handleA</function> that pass
6850 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
6851 by pairing the values with the environment in this way.
6852 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
6853 should have the form
6854 <screen>
6855 a (...(e,t1), ... tn) t
6856 </screen>
6857 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
6858 (representing the environment)
6859 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
6860 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
6861 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
6862 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
6863 <replaceable>t</replaceable>.
6864 However the arrows involved need not be the same.
6865 Here are some more examples of suitable operators:
6866 <screen>
6867 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
6868 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
6869 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
6870 </screen>
6871 We can supply the extra input required by commands built with the last two
6872 by applying them to ordinary expressions, as in
6873 <screen>
6874 proc x -> do
6875         s &lt;- ...
6876         (|runReader (do { ... })|) s
6877 </screen>
6878 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
6879 built using <function>runReader</function>.
6880 </para>
6881
6882 <para>
6883 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
6884 the expression versions.
6885 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
6886 These three features (operators, lambda abstraction and application)
6887 are the core of the notation; everything else can be built using them,
6888 though the results would be somewhat clumsy.
6889 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
6890 <programlisting>
6891 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
6892 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
6893
6894 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
6895 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
6896 </programlisting>
6897 We could simulate <literal>if</literal> by defining
6898 <programlisting>
6899 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
6900 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
6901 </programlisting>
6902 </para>
6903
6904 </sect2>
6905
6906 <sect2>
6907 <title>Differences with the paper</title>
6908
6909 <itemizedlist>
6910
6911 <listitem>
6912 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
6913 translations, the implementation provides two forms
6914 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
6915 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
6916 </para>
6917 </listitem>
6918
6919 <listitem>
6920 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
6921 a new <literal>form</literal> keyword.
6922 </para>
6923 </listitem>
6924
6925 </itemizedlist>
6926
6927 </sect2>
6928
6929 <sect2>
6930 <title>Portability</title>
6931
6932 <para>
6933 Although only GHC implements arrow notation directly,
6934 there is also a preprocessor
6935 (available from the 
6936 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
6937 that translates arrow notation into Haskell 98
6938 for use with other Haskell systems.
6939 You would still want to check arrow programs with GHC;
6940 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
6941 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
6942 additional restrictions:
6943 <itemizedlist>
6944
6945 <listitem>
6946 <para>
6947 The module must import
6948 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
6949 </para>
6950 </listitem>
6951
6952 <listitem>
6953 <para>
6954 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
6955 These would have to go in separate modules.
6956 </para>
6957 </listitem>
6958
6959 <listitem>
6960 <para>
6961 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
6962 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
6963 </para>
6964 </listitem>
6965
6966 </itemizedlist>
6967 </para>
6968
6969 </sect2>
6970
6971 </sect1>
6972
6973 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
6974
6975 <sect1 id="bang-patterns">
6976 <title>Bang patterns
6977 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
6978 </title>
6979 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
6980 patterns</emphasis>, written <literal>!<replaceable>pat</replaceable></literal>.   
6981 Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
6982 The <ulink
6983 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
6984 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
6985 than the material below.
6986 </para>
6987 <para>
6988 The key change is the addition of a new rule to the 
6989 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">semantics of pattern matching in the Haskell 98 report</ulink>.
6990 Add new bullet 10, saying: Matching the pattern <literal>!</literal><replaceable>pat</replaceable> 
6991 against a value <replaceable>v</replaceable> behaves as follows:
6992 <itemizedlist>
6993 <listitem><para>if <replaceable>v</replaceable> is bottom, the match diverges</para></listitem>
6994 <listitem><para>otherwise, <replaceable>pat</replaceable> is matched against <replaceable>v</replaceable>  </para></listitem>
6995 </itemizedlist>
6996 </para>
6997 <para>
6998 Bang patterns are enabled by the flag <option>-XBangPatterns</option>.
6999 </para>
7000
7001 <sect2 id="bang-patterns-informal">
7002 <title>Informal description of bang patterns
7003 </title>
7004 <para>
7005 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
7006 <programlisting>
7007   pat ::= !pat
7008 </programlisting>
7009 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
7010 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
7011 Example:
7012 <programlisting>
7013 f1 !x = True
7014 </programlisting>
7015 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
7016 whereas without the bang it would be lazy.
7017 Bang patterns can be nested of course:
7018 <programlisting>
7019 f2 (!x, y) = [x,y]
7020 </programlisting>
7021 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
7022 <literal>y</literal>.  
7023 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
7024 <programlisting>
7025 f3 !(x,y) = [x,y]
7026 f4 (x,y)  = [x,y]
7027 </programlisting>
7028 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; 
7029 putting a bang before a pattern that
7030 forces evaluation anyway does nothing.
7031 </para>
7032 <para>
7033 There is one (apparent) exception to this general rule that a bang only
7034 makes a difference when it precedes a variable or wild-card: a bang at the
7035 top level of a <literal>let</literal> or <literal>where</literal>
7036 binding makes the binding strict, regardless of the pattern. For example:
7037 <programlisting>
7038 let ![x,y] = e in b
7039 </programlisting>
7040 is a strict binding: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
7041 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>.
7042 (We say "apparent" exception because the Right Way to think of it is that the bang
7043 at the top of a binding is not part of the <emphasis>pattern</emphasis>; rather it
7044 is part of the syntax of the <emphasis>binding</emphasis>.)
7045 Nested bangs in a pattern binding behave uniformly with all other forms of 
7046 pattern matching.  For example
7047 <programlisting>
7048 let (!x,[y]) = e in b
7049 </programlisting>
7050 is equivalent to this:
7051 <programlisting>
7052 let { t = case e of (x,[y]) -> x `seq` (x,y)
7053       x = fst t
7054       y = snd t }
7055 in b
7056 </programlisting>
7057 The binding is lazy, but when either <literal>x</literal> or <literal>y</literal> is
7058 evaluated by <literal>b</literal> the entire pattern is matched, including forcing the
7059 evaluation of <literal>x</literal>.
7060 </para>
7061 <para>
7062 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
7063 <programlisting>
7064 g5 x = let y = f x in body
7065 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
7066 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
7067 </programlisting>
7068 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
7069 But <literal>g7</literal> evaluates <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
7070 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
7071 </para>
7072 </sect2>
7073
7074
7075 <sect2 id="bang-patterns-sem">
7076 <title>Syntax and semantics
7077 </title>
7078 <para>
7079
7080 We add a single new production to the syntax of patterns:
7081 <programlisting>
7082   pat ::= !pat
7083 </programlisting>
7084 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
7085 <programlisting>
7086 f !x = 3
7087 </programlisting>
7088 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
7089 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
7090 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
7091 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
7092 prefix notation:
7093 <programlisting>
7094 (!) f x = 3
7095 </programlisting>
7096 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
7097 url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
7098 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
7099 one extra item 10, saying:
7100 <itemizedlist><listitem><para>Matching
7101 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
7102 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
7103                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
7104                 <literal>v</literal></para></listitem>
7105 </itemizedlist>
7106 </para></listitem></itemizedlist>
7107 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
7108 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
7109 <programlisting>
7110 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
7111    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
7112 </programlisting>
7113 </para><para>
7114 That leaves let expressions, whose translation is given in 
7115 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
7116 3.12</ulink>
7117 of the Haskell Report.
7118 In the translation box, first apply 
7119 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
7120 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
7121 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
7122 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
7123 </para>
7124 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
7125 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
7126 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
7127 thus:
7128 <programlisting>
7129   let !y = f x in b
7130 </programlisting>
7131
7132 </para>
7133 <para>
7134 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
7135 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
7136 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
7137      is equivalent to
7138 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
7139 </para>
7140 <para>
7141 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
7142 a module.
7143 </para>
7144 </sect2>
7145 </sect1>
7146
7147 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
7148
7149 <sect1 id="assertions">
7150 <title>Assertions
7151 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
7152 </title>
7153
7154 <para>
7155 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
7156 could define a function like the following:
7157 </para>
7158
7159 <para>
7160
7161 <programlisting>
7162 assert :: Bool -> a -> a
7163 assert False x = error "assertion failed!"
7164 assert _     x = x
7165 </programlisting>
7166
7167 </para>
7168
7169 <para>
7170 which works, but gives you back a less than useful error message --
7171 an assertion failed, but which and where?
7172 </para>
7173
7174 <para>
7175 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
7176 takes a descriptive string to include in the error message and
7177 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
7178 the source location where <function>assert</function> was used.
7179 </para>
7180
7181 <para>
7182 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
7183 use of <function>assert</function> in the user's source:
7184 </para>
7185
7186 <para>
7187
7188 <programlisting>
7189 kelvinToC :: Double -> Double
7190 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
7191 </programlisting>
7192
7193 </para>
7194
7195 <para>
7196 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
7197 assertion was made,
7198 </para>
7199
7200 <para>
7201
7202 <programlisting>
7203 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
7204 </programlisting>
7205
7206 </para>
7207
7208 <para>
7209 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
7210 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
7211 can still define and use your own versions of
7212 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
7213 <literal>Control.Exception</literal> to make use
7214 <function>assert</function> in your code.
7215 </para>
7216
7217 <para>
7218 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
7219       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
7220 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
7221 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
7222       <option>-fignore-asserts</option>
7223       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
7224       </indexterm>.</para>
7225
7226 <para>
7227 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
7228 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
7229 </para>
7230
7231 </sect1>
7232
7233
7234 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
7235
7236   <sect1 id="pragmas">
7237     <title>Pragmas</title>
7238
7239     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
7240
7241     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
7242     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
7243     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
7244     of the generated code.</para>
7245
7246     <para>Pragmas all take the form
7247
7248 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
7249
7250     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
7251     pragma, and is followed optionally by information specific to that
7252     type of pragma.  Case is ignored in
7253     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
7254     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
7255     in the following sections; any pragma encountered with an
7256     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is
7257     ignored. The layout rule applies in pragmas, so the closing <literal>#-}</literal>
7258     should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>. </para> 
7259
7260     <para>Certain pragmas are <emphasis>file-header pragmas</emphasis>:
7261       <itemizedlist>
7262       <listitem><para>
7263           A file-header
7264           pragma must precede the <literal>module</literal> keyword in the file.
7265           </para></listitem>
7266       <listitem><para>
7267       There can be as many file-header pragmas as you please, and they can be
7268       preceded or followed by comments.  
7269           </para></listitem>
7270       <listitem><para>
7271       File-header pragmas are read once only, before
7272       pre-processing the file (e.g. with cpp).
7273           </para></listitem>
7274       <listitem><para>
7275          The file-header pragmas are: <literal>{-# LANGUAGE #-}</literal>,
7276         <literal>{-# OPTIONS_GHC #-}</literal>, and
7277         <literal>{-# INCLUDE #-}</literal>.
7278           </para></listitem>
7279       </itemizedlist>
7280       </para>
7281
7282     <sect2 id="language-pragma">
7283       <title>LANGUAGE pragma</title>
7284
7285       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7286       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
7287
7288       <para>The <literal>LANGUAGE</literal> pragma allows language extensions to be enabled 
7289         in a portable way.
7290         It is the intention that all Haskell compilers support the
7291         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
7292         all extensions are supported by all compilers, of
7293         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
7294         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
7295
7296       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
7297
7298 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
7299
7300         <para><literal>LANGUAGE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7301
7302       <para>Every language extension can also be turned into a command-line flag
7303         by prefixing it with "<literal>-X</literal>"; for example <option>-XForeignFunctionInterface</option>.
7304         (Similarly, all "<literal>-X</literal>" flags can be written as <literal>LANGUAGE</literal> pragmas.
7305       </para>
7306
7307       <para>A list of all supported language extensions can be obtained by invoking
7308         <literal>ghc --supported-languages</literal> (see <xref linkend="modes"/>).</para>
7309
7310       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
7311         <ulink
7312           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink>
7313         may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
7314     </sect2>
7315
7316
7317     <sect2 id="options-pragma">
7318       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
7319       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
7320       </indexterm>
7321       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
7322       </indexterm>
7323
7324       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
7325       additional options that are given to the compiler when compiling
7326       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
7327       details.</para>
7328
7329       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
7330         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
7331     </sect2>
7332
7333         <para><literal>OPTIONS_GHC</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7334
7335     <sect2 id="include-pragma">
7336       <title>INCLUDE pragma</title>
7337
7338       <para>The <literal>INCLUDE</literal> used to be necessary for
7339         specifying header files to be included when using the FFI and
7340         compiling via C.  It is no longer required for GHC, but is
7341         accepted (and ignored) for compatibility with other
7342         compilers.</para>
7343     </sect2>
7344
7345     <sect2 id="warning-deprecated-pragma">
7346       <title>WARNING and DEPRECATED pragmas</title>
7347       <indexterm><primary>WARNING</primary></indexterm>
7348       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary></indexterm>
7349
7350       <para>The WARNING pragma allows you to attach an arbitrary warning
7351       to a particular function, class, or type.
7352       A DEPRECATED pragma lets you specify that
7353       a particular function, class, or type is deprecated.
7354       There are two ways of using these pragmas.
7355
7356       <itemizedlist>
7357         <listitem>
7358           <para>You can work on an entire module thus:</para>
7359 <programlisting>
7360    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
7361      ...
7362 </programlisting>
7363       <para>Or:</para>
7364 <programlisting>
7365    module Wibble {-# WARNING "This is an unstable interface." #-} where
7366      ...
7367 </programlisting>
7368           <para>When you compile any module that import
7369           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
7370           message.</para>
7371         </listitem>
7372
7373         <listitem>
7374           <para>You can attach a warning to a function, class, type, or data constructor, with the
7375           following top-level declarations:</para>
7376 <programlisting>
7377    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
7378    {-# WARNING unsafePerformIO "This is unsafe; I hope you know what you're doing" #-}
7379 </programlisting>
7380           <para>When you compile any module that imports and uses any
7381           of the specified entities, GHC will print the specified
7382           message.</para>
7383           <para> You can only attach to entities declared at top level in the module
7384           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
7385           entities. A capitalised name, such as <literal>T</literal>
7386           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
7387           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
7388           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to
7389       specify one without the other (c.f. fixities
7390       <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
7391         </listitem>
7392       </itemizedlist>
7393       Warnings and deprecations are not reported for
7394       (a) uses within the defining module, and
7395       (b) uses in an export list.
7396       The latter reduces spurious complaints within a library
7397       in which one module gathers together and re-exports 
7398       the exports of several others.
7399       </para>
7400       <para>You can suppress the warnings with the flag
7401       <option>-fno-warn-warnings-deprecations</option>.</para>
7402     </sect2>
7403
7404     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
7405       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
7406
7407       <para>These pragmas control the inlining of function
7408       definitions.</para>
7409
7410       <sect3 id="inline-pragma">
7411         <title>INLINE pragma</title>
7412         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
7413
7414         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
7415         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
7416         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
7417         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
7418         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
7419         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
7420         export that unfolding for other modules to use.</para>
7421
7422         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
7423         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
7424         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
7425
7426 <programlisting>
7427 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
7428 {-# INLINE key_function #-}
7429 </programlisting>
7430
7431         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
7432         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
7433         The normal unfolding machinery will then be very keen to
7434         inline it.  However, an <literal>INLINE</literal> pragma for a 
7435         function "<literal>f</literal>" has a number of other effects:
7436 <itemizedlist>
7437 <listitem><para>
7438 No functions are inlined into <literal>f</literal>.  Otherwise
7439 GHC might inline a big function into <literal>f</literal>'s right hand side, 
7440 making <literal>f</literal> big; and then inline <literal>f</literal> blindly.
7441 </para></listitem>
7442 <listitem><para>
7443 The float-in, float-out, and common-sub-expression transformations are not 
7444 applied to the body of <literal>f</literal>.  
7445 </para></listitem>
7446 <listitem><para>
7447 An INLINE function is not worker/wrappered by strictness analysis.
7448 It's going to be inlined wholesale instead.
7449 </para></listitem>
7450 </itemizedlist>
7451 All of these effects are aimed at ensuring that what gets inlined is
7452 exactly what you asked for, no more and no less.
7453 </para>
7454 <para>GHC ensures that inlining cannot go on forever: every mutually-recursive
7455 group is cut by one or more <emphasis>loop breakers</emphasis> that is never inlined
7456 (see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/Papers/inlining/index.htm">
7457 Secrets of the GHC inliner, JFP 12(4) July 2002</ulink>).
7458 GHC tries not to select a function with an INLINE pragma as a loop breaker, but
7459 when there is no choice even an INLINE function can be selected, in which case
7460 the INLINE pragma is ignored.
7461 For example, for a self-recursive function, the loop breaker can only be the function
7462 itself, so an INLINE pragma is always ignored.</para>
7463
7464         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
7465         function can be put anywhere its type signature could be
7466         put.</para>
7467
7468         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
7469         good idea for the
7470         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
7471         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
7472         a monad.  For example, in GHC's own
7473         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
7474
7475 <programlisting>
7476 {-# INLINE thenUs #-}
7477 {-# INLINE returnUs #-}
7478 </programlisting>
7479
7480         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
7481         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
7482
7483         <para>Note: the HBC compiler doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas,
7484           so if you want your code to be HBC-compatible you'll have to surround
7485           the pragma with C pre-processor directives 
7486           <literal>#ifdef __GLASGOW_HASKELL__</literal>...<literal>#endif</literal>.</para>
7487
7488       </sect3>
7489
7490       <sect3 id="noinline-pragma">
7491         <title>NOINLINE pragma</title>
7492         
7493         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
7494         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
7495
7496         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
7497         you'd expect: it stops the named function from being inlined
7498         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
7499         you're very cautious about code size.</para>
7500
7501         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
7502         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
7503         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
7504         inlining, so it should be used if you want your code to be
7505         portable).</para>
7506       </sect3>
7507
7508       <sect3 id="phase-control">
7509         <title>Phase control</title>
7510
7511         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
7512         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
7513         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
7514         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
7515         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
7516         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
7517         sequence of phase numbers for successive runs of the
7518         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
7519         phase number, thus:
7520         <itemizedlist>
7521           <listitem>
7522             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7523             <literal>f</literal>
7524               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7525               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
7526             </para></listitem>
7527           <listitem>
7528             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
7529             <literal>f</literal>
7530               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7531               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7532             </para></listitem>
7533           <listitem>
7534             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7535             <literal>f</literal>
7536               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7537               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
7538               there was no pragma).
7539             </para></listitem>
7540             <listitem>
7541             <para>"<literal>NOINLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
7542             <literal>f</literal>
7543               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7544               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7545             </para></listitem>
7546         </itemizedlist>
7547 The same information is summarised here:
7548 <programlisting>
7549                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
7550   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
7551   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
7552   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
7553   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
7554
7555   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
7556   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
7557 </programlisting>
7558 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
7559 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
7560 Another way to understand the semantics is this:
7561 <itemizedlist>
7562 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
7563 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
7564 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
7565 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
7566 happen.
7567 </para></listitem>
7568 </itemizedlist>
7569 </para>
7570 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
7571         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
7572       </sect3>
7573     </sect2>
7574
7575     <sect2 id="annotation-pragmas">
7576       <title>ANN pragmas</title>
7577       
7578       <para>GHC offers the ability to annotate various code constructs with additional
7579       data by using three pragmas.  This data can then be inspected at a later date by
7580       using GHC-as-a-library.</para>
7581             
7582       <sect3 id="ann-pragma">
7583         <title>Annotating values</title>
7584         
7585         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7586         
7587         <para>Any expression that has both <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances may be attached to a top-level value
7588         binding using an <literal>ANN</literal> pragma. In particular, this means you can use <literal>ANN</literal>
7589         to annotate data constructors (e.g. <literal>Just</literal>) as well as normal values (e.g. <literal>take</literal>).
7590         By way of example, to annotate the function <literal>foo</literal> with the annotation <literal>Just "Hello"</literal>
7591         you would do this:</para>
7592         
7593 <programlisting>
7594 {-# ANN foo (Just "Hello") #-}
7595 foo = ...
7596 </programlisting>
7597         
7598         <para>
7599           A number of restrictions apply to use of annotations:
7600           <itemizedlist>
7601             <listitem><para>The binder being annotated must be at the top level (i.e. no nested binders)</para></listitem>
7602             <listitem><para>The binder being annotated must be declared in the current module</para></listitem>
7603             <listitem><para>The expression you are annotating with must have a type with <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances</para></listitem>
7604             <listitem><para>The <ulink linkend="using-template-haskell">Template Haskell staging restrictions</ulink> apply to the
7605             expression being annotated with, so for example you cannot run a function from the module being compiled.</para>
7606             
7607             <para>To be precise, the annotation <literal>{-# ANN x e #-}</literal> is well staged if and only if <literal>$(e)</literal> would be 
7608             (disregarding the usual type restrictions of the splice syntax, and the usual restriction on splicing inside a splice - <literal>$([|1|])</literal> is fine as an annotation, albeit redundant).</para></listitem>
7609           </itemizedlist>
7610           
7611           If you feel strongly that any of these restrictions are too onerous, <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/MailingListsAndIRC">
7612           please give the GHC team a shout</ulink>.
7613         </para>
7614         
7615         <para>However, apart from these restrictions, many things are allowed, including expressions which are not fully evaluated!
7616         Annotation expressions will be evaluated by the compiler just like Template Haskell splices are. So, this annotation is fine:</para>
7617         
7618 <programlisting>
7619 {-# ANN f SillyAnnotation { foo = (id 10) + $([| 20 |]), bar = 'f } #-}
7620 f = ...
7621 </programlisting>
7622       </sect3>
7623       
7624       <sect3 id="typeann-pragma">
7625         <title>Annotating types</title>
7626         
7627         <indexterm><primary>ANN type</primary></indexterm>
7628         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7629         
7630         <para>You can annotate types with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>type</literal> keyword. For example:</para>
7631         
7632 <programlisting>
7633 {-# ANN type Foo (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7634 data Foo = ...
7635 </programlisting>
7636       </sect3>
7637       
7638       <sect3 id="modann-pragma">
7639         <title>Annotating modules</title>
7640         
7641         <indexterm><primary>ANN module</primary></indexterm>
7642         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7643         
7644         <para>You can annotate modules with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>module</literal> keyword. For example:</para>
7645         
7646 <programlisting>
7647 {-# ANN module (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7648 </programlisting>
7649       </sect3>
7650     </sect2>
7651
7652     <sect2 id="line-pragma">
7653       <title>LINE pragma</title>
7654
7655       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7656       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
7657       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
7658       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
7659       code.  It lets you specify the line number and filename of the
7660       original code; for example</para>
7661
7662 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
7663
7664       <para>if you'd generated the current file from something called
7665       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
7666       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
7667       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
7668       pragma.</para>
7669     </sect2>
7670
7671     <sect2 id="rules">
7672       <title>RULES pragma</title>
7673
7674       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
7675       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
7676     </sect2>
7677
7678     <sect2 id="specialize-pragma">
7679       <title>SPECIALIZE pragma</title>
7680
7681       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7682       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
7683       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7684
7685       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
7686       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
7687       specialised to particular types.  Thus, if you have an
7688       overloaded function:</para>
7689
7690 <programlisting>
7691   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
7692 </programlisting>
7693
7694       <para>If it is heavily used on lists with
7695       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
7696       follows:</para>
7697
7698 <programlisting>
7699   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
7700 </programlisting>
7701
7702       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
7703       be put anywhere its type signature could be put.</para>
7704
7705       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
7706       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
7707       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
7708       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
7709
7710       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
7711         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
7712         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
7713 <programlisting>
7714   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
7715 </programlisting>
7716       is valid if and only if the definition
7717 <programlisting>
7718   f_spec :: &lt;type&gt;
7719   f_spec = f
7720 </programlisting>
7721       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
7722       for the original function, not its code):
7723 <programlisting>
7724   f :: Eq a => a -> b -> b
7725   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
7726
7727   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
7728   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
7729
7730   h :: Eq a => a -> a -> a
7731   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
7732 </programlisting>
7733 The last of these examples will generate a 
7734 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
7735 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
7736 </para>
7737
7738 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
7739 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
7740 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
7741 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised version of the
7742 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
7743 example is this:
7744 <programlisting>
7745 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
7746 data Arr e where
7747   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
7748   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
7749
7750 (!:) :: Arr e -> Int -> e
7751 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
7752 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
7753 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
7754 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
7755 </programlisting>
7756 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
7757 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
7758 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
7759 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
7760 <literal>(!:)</literal>,
7761 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
7762 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
7763 unrolling of the indexing function.</para>
7764 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
7765 on an ordinarily-recursive function.</para>
7766
7767       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
7768       specialised function for a given type:
7769
7770 <programlisting>
7771 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
7772 </programlisting>
7773
7774       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
7775       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
7776
7777     </sect2>
7778
7779 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
7780 <title>SPECIALIZE instance pragma
7781 </title>
7782
7783 <para>
7784 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7785 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7786 Same idea, except for instance declarations.  For example:
7787
7788 <programlisting>
7789 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
7790    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
7791    ... usual stuff ...
7792  }
7793 </programlisting>
7794 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
7795 of the instance declaration.
7796 </para>
7797 <para>
7798 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
7799 of the pragma.
7800 </para>
7801
7802 </sect2>
7803
7804     <sect2 id="unpack-pragma">
7805       <title>UNPACK pragma</title>
7806
7807       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
7808       
7809       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
7810       that it should unpack the contents of a constructor field into
7811       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
7812       example:</para>
7813
7814 <programlisting>
7815 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
7816            {-# UNPACK #-} !Float
7817 </programlisting>
7818
7819       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
7820       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
7821       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
7822       floats passed to a non-strict function for example, they will
7823       have to be reboxed (this is done automatically by the
7824       compiler).</para>
7825
7826       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
7827       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
7828       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
7829       often as possible.  For example:</para>
7830
7831 <programlisting>
7832 f :: T -&#62; Float
7833 f (T f1 f2) = f1 + f2
7834 </programlisting>
7835
7836       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
7837       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
7838       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
7839
7840       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
7841       example</para>
7842
7843 <programlisting>
7844 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
7845 </programlisting>
7846
7847       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
7848       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
7849       Multi-level unpacking is also supported:
7850
7851 <programlisting>
7852 data T = T {-# UNPACK #-} !S
7853 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
7854 </programlisting>
7855
7856       will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
7857       directly in the <function>T</function> constructor.  The
7858       unpacker can see through newtypes, too.</para>
7859
7860       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
7861       so it might be an idea to check the generated code with
7862       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
7863
7864       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
7865       which essentially has the effect of adding
7866       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
7867       constructor field.</para>
7868     </sect2>
7869
7870     <sect2 id="source-pragma">
7871       <title>SOURCE pragma</title>
7872
7873       <indexterm><primary>SOURCE</primary></indexterm>
7874      <para>The <literal>{-# SOURCE #-}</literal> pragma is used only in <literal>import</literal> declarations,
7875      to break a module loop.  It is described in detail in <xref linkend="mutual-recursion"/>.
7876      </para>
7877 </sect2>
7878
7879 </sect1>
7880
7881 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
7882
7883 <sect1 id="rewrite-rules">
7884 <title>Rewrite rules
7885
7886 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
7887 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
7888 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
7889
7890 <para>
7891 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
7892 (in a pragma).  
7893 Here is an example:
7894
7895 <programlisting>
7896   {-# RULES
7897   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7898     #-}
7899 </programlisting>
7900 </para>
7901 <para>
7902 Use the debug flag <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules fired.
7903 If you need more information, then <option>-ddump-rule-firings</option> shows you
7904 each individual rule firing in detail.
7905 </para>
7906
7907 <sect2>
7908 <title>Syntax</title>
7909
7910 <para>
7911 From a syntactic point of view:
7912
7913 <itemizedlist>
7914
7915 <listitem>
7916 <para>
7917  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma, separated by semicolons (which
7918  may be generated by the layout rule).
7919 </para>
7920 </listitem>
7921
7922 <listitem>
7923 <para>
7924 The layout rule applies in a pragma.
7925 Currently no new indentation level
7926 is set, so if you put several rules in single RULES pragma and wish to use layout to separate them,
7927 you must lay out the starting in the same column as the enclosing definitions.
7928 <programlisting>
7929   {-# RULES
7930   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7931   "map/append" forall f xs ys. map f (xs ++ ys) = map f xs ++ map f ys
7932     #-}
7933 </programlisting>
7934 Furthermore, the closing <literal>#-}</literal>
7935 should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>.
7936 </para>
7937 </listitem>
7938
7939 <listitem>
7940 <para>
7941  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
7942 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
7943 </para>
7944 </listitem>
7945
7946 <listitem>
7947 <para>
7948 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
7949 immediately after the name of the rule.  Thus:
7950 <programlisting>
7951   {-# RULES
7952         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
7953     #-}
7954 </programlisting>
7955 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
7956 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
7957 Phase 2.
7958 </para>
7959 </listitem>
7960
7961
7962
7963 <listitem>
7964 <para>
7965  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
7966 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
7967 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
7968 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
7969 </para>
7970 </listitem>
7971 <listitem>
7972
7973 <para>
7974  A pattern variable may optionally have a type signature.
7975 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
7976 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
7977
7978 <programlisting>
7979 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
7980               foldr k z (build g) = g k z
7981 </programlisting>
7982
7983 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
7984
7985 </para>
7986 </listitem>
7987 <listitem>
7988
7989 <para>
7990 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
7991 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
7992
7993 <programlisting>
7994 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
7995 "wrong2"   forall f.      f True = True
7996 </programlisting>
7997
7998 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
7999 in the head.
8000 </para>
8001 </listitem>
8002 <listitem>
8003
8004 <para>
8005  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
8006 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
8007 </para>
8008 </listitem>
8009 <listitem>
8010
8011 <para>
8012  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
8013 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
8014 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
8015 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
8016 declarations.
8017 </para>
8018 </listitem>
8019
8020 <listitem>
8021
8022 <para>
8023 Inside a RULE "<literal>forall</literal>" is treated as a keyword, regardless of
8024 any other flag settings.  Furthermore, inside a RULE, the language extension
8025 <option>-XScopedTypeVariables</option> is automatically enabled; see 
8026 <xref linkend="scoped-type-variables"/>.
8027 </para>
8028 </listitem>
8029 <listitem>
8030
8031 <para>
8032 Like other pragmas, RULE pragmas are always checked for scope errors, and
8033 are typechecked. Typechecking means that the LHS and RHS of a rule are typechecked, 
8034 and must have the same type.  However, rules are only <emphasis>enabled</emphasis>
8035 if the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag is 
8036 on (see <xref linkend="rule-semantics"/>).
8037 </para>
8038 </listitem>
8039 </itemizedlist>
8040
8041 </para>
8042
8043 </sect2>
8044
8045 <sect2 id="rule-semantics">
8046 <title>Semantics</title>
8047
8048 <para>
8049 From a semantic point of view:
8050
8051 <itemizedlist>
8052 <listitem>
8053 <para>
8054 Rules are enabled (that is, used during optimisation)
8055 by the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag.
8056 This flag is implied by <option>-O</option>, and may be switched
8057 off (as usual) by <option>-fno-enable-rewrite-rules</option>.
8058 (NB: enabling <option>-fenable-rewrite-rules</option> without <option>-O</option> 
8059 may not do what you expect, though, because without <option>-O</option> GHC 
8060 ignores all optimisation information in interface files;
8061 see <option>-fignore-interface-pragmas</option>, <xref linkend="options-f"/>.)
8062 Note that <option>-fenable-rewrite-rules</option> is an <emphasis>optimisation</emphasis> flag, and
8063 has no effect on parsing or typechecking.
8064 </para>
8065 </listitem>
8066
8067 <listitem>
8068 <para>
8069  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
8070 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
8071 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
8072 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
8073 expression by substituting for the pattern variables.
8074
8075 </para>
8076 </listitem>
8077 <listitem>
8078
8079 <para>
8080  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
8081 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
8082 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
8083
8084 </para>
8085 </listitem>
8086 <listitem>
8087
8088 <para>
8089  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
8090 terminating.  For example:
8091
8092 <programlisting>
8093   "loop"        forall x y.  f x y = f y x
8094 </programlisting>
8095
8096 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
8097
8098 </para>
8099 </listitem>
8100 <listitem>
8101
8102 <para>
8103  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
8104
8105 </para>
8106 </listitem>
8107 <listitem>
8108 <para>
8109  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
8110 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
8111 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
8112 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
8113 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
8114 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
8115 </para>
8116
8117 <para>
8118 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
8119 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
8120 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
8121 </para>
8122 </listitem>
8123 <listitem>
8124
8125 <para>
8126  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
8127 For example, consider:
8128
8129 <programlisting>
8130   let s = map f
8131       t = map g
8132   in
8133   s (t xs)
8134 </programlisting>
8135
8136 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
8137 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
8138 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
8139 not be substituted, and the rule would not fire.
8140
8141 </para>
8142 </listitem>
8143 <listitem>
8144
8145 <para>
8146 Ordinary inlining happens at the same time as rule rewriting, which may lead to unexpected
8147 results.  Consider this (artificial) example
8148 <programlisting>
8149 f x = x
8150 {-# RULES "f" f True = False #-}
8151
8152 g y = f y
8153
8154 h z = g True
8155 </programlisting>
8156 Since <literal>f</literal>'s right-hand side is small, it is inlined into <literal>g</literal>,
8157 to give
8158 <programlisting>
8159 g y = y
8160 </programlisting>
8161 Now <literal>g</literal> is inlined into <literal>h</literal>, but <literal>f</literal>'s RULE has
8162 no chance to fire.  
8163 If instead GHC had first inlined <literal>g</literal> into <literal>h</literal> then there
8164 would have been a better chance that <literal>f</literal>'s RULE might fire.  
8165 </para>
8166 <para>
8167 The way to get predictable behaviour is to use a NOINLINE 
8168 pragma on <literal>f</literal>, to ensure
8169 that it is not inlined until its RULEs have had a chance to fire.
8170 </para>
8171 </listitem>
8172 </itemizedlist>
8173
8174 </para>
8175
8176 </sect2>
8177
8178 <sect2>
8179 <title>List fusion</title>
8180
8181 <para>
8182 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
8183 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
8184 intermediate list should be eliminated entirely.
8185 </para>
8186
8187 <para>
8188 The following are good producers:
8189
8190 <itemizedlist>
8191 <listitem>
8192
8193 <para>
8194  List comprehensions
8195 </para>
8196 </listitem>
8197 <listitem>
8198
8199 <para>
8200  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
8201 </para>
8202 </listitem>
8203 <listitem>
8204
8205 <para>
8206  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
8207 </para>
8208 </listitem>
8209 <listitem>
8210
8211 <para>
8212  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
8213 </para>
8214 </listitem>
8215 <listitem>
8216
8217 <para>
8218  <function>++</function>
8219 </para>
8220 </listitem>
8221
8222 <listitem>
8223 <para>
8224  <function>map</function>
8225 </para>
8226 </listitem>
8227
8228 <listitem>
8229 <para>
8230 <function>take</function>, <function>filter</function>
8231 </para>
8232 </listitem>
8233 <listitem>
8234
8235 <para>
8236  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
8237 </para>
8238 </listitem>
8239 <listitem>
8240
8241 <para>
8242  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
8243 </para>
8244 </listitem>
8245
8246 </itemizedlist>
8247
8248 </para>
8249
8250 <para>
8251 The following are good consumers:
8252
8253 <itemizedlist>
8254 <listitem>
8255
8256 <para>
8257  List comprehensions
8258 </para>
8259 </listitem>
8260 <listitem>
8261
8262 <para>
8263  <function>array</function> (on its second argument)
8264 </para>
8265 </listitem>
8266 <listitem>
8267
8268 <para>
8269  <function>++</function> (on its first argument)
8270 </para>
8271 </listitem>
8272
8273 <listitem>
8274 <para>
8275  <function>foldr</function>
8276 </para>
8277 </listitem>
8278
8279 <listitem>
8280 <para>
8281  <function>map</function>
8282 </para>
8283 </listitem>
8284 <listitem>
8285
8286 <para>
8287 <function>take</function>, <function>filter</function>
8288 </para>
8289 </listitem>
8290 <listitem>
8291
8292 <para>
8293  <function>concat</function>
8294 </para>
8295 </listitem>
8296 <listitem>
8297
8298 <para>
8299  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
8300 </para>
8301 </listitem>
8302 <listitem>
8303
8304 <para>
8305  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
8306 will fuse with one but not the other)
8307 </para>
8308 </listitem>
8309 <listitem>
8310
8311 <para>
8312  <function>partition</function>
8313 </para>
8314 </listitem>
8315 <listitem>
8316
8317 <para>
8318  <function>head</function>
8319 </para>
8320 </listitem>
8321 <listitem>
8322
8323 <para>
8324  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
8325 </para>
8326 </listitem>
8327 <listitem>
8328
8329 <para>
8330  <function>sequence&lowbar;</function>
8331 </para>
8332 </listitem>
8333 <listitem>
8334
8335 <para>
8336  <function>msum</function>
8337 </para>
8338 </listitem>
8339 <listitem>
8340
8341 <para>
8342  <function>sortBy</function>
8343 </para>
8344 </listitem>
8345
8346 </itemizedlist>
8347
8348 </para>
8349
8350  <para>
8351 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
8352
8353 <programlisting>
8354 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
8355 </programlisting>
8356
8357 </para>
8358
8359 <para>
8360 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
8361 a lot which are not included, please tell us.
8362 </para>
8363
8364 <para>
8365 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
8366 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
8367 </para>
8368
8369 </sect2>
8370
8371 <sect2 id="rule-spec">
8372 <title>Specialisation
8373 </title>
8374
8375 <para>
8376 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
8377 present in earlier versions of GHC.
8378 For example, suppose that:
8379
8380 <programlisting>
8381 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
8382 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
8383 </programlisting>
8384
8385 where <function>intLookup</function> is an implementation of
8386 <function>genericLookup</function> that works very fast for
8387 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
8388 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
8389 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
8390 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
8391 It used to be possible to write
8392
8393 <programlisting>
8394 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
8395 </programlisting>
8396
8397 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
8398
8399 <programlisting>
8400 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
8401 </programlisting>
8402
8403 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
8404 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
8405 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
8406 What is more, this rule does not need to be in the same
8407 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
8408 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
8409 have an original definition available to specialise).
8410 </para>
8411
8412 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
8413 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
8414 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
8415
8416 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
8417 specialisation will Win Big:
8418
8419 <programlisting>
8420 toDouble :: Real a => a -> Double
8421 toDouble = fromRational . toRational
8422
8423 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
8424 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
8425 </programlisting>
8426
8427 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
8428 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
8429 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
8430 comparison.
8431 </para>
8432
8433 </sect2>
8434
8435 <sect2>
8436 <title>Controlling what's going on</title>
8437
8438 <para>
8439
8440 <itemizedlist>
8441 <listitem>
8442
8443 <para>
8444  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
8445 </para>
8446 </listitem>
8447 <listitem>
8448
8449 <para>
8450  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
8451 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
8452 </para>
8453 </listitem>
8454 <listitem>
8455
8456 <para>
8457  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks like this:
8458
8459 <programlisting>
8460         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
8461         {-# INLINE build #-}
8462         build g = g (:) []
8463 </programlisting>
8464
8465 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
8466 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
8467 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
8468 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
8469
8470 </para>
8471 </listitem>
8472 <listitem>
8473
8474 <para>
8475  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
8476 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
8477 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
8478 </para>
8479 </listitem>
8480
8481 </itemizedlist>
8482
8483 </para>
8484
8485 </sect2>
8486
8487 <sect2 id="core-pragma">
8488   <title>CORE pragma</title>
8489
8490   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
8491   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
8492   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
8493
8494 <para>
8495   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
8496   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
8497   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
8498   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
8499   literal as an argument.  The following function definition shows an
8500   example:
8501
8502 <programlisting>
8503 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
8504 </programlisting>
8505
8506   Semantically, this is equivalent to:
8507
8508 <programlisting>
8509 g x = show x
8510 </programlisting>
8511 </para>
8512
8513 <para>
8514   However, when external core is generated (via
8515   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
8516   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
8517   The core function declaration for <function>f</function> is:
8518 </para>
8519
8520 <programlisting>
8521   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
8522                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
8523     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
8524         (%note "foo"
8525          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
8526            {GHCziShow.ZCDShow
8527             (tpl1::GHCziBase.Int ->
8528                    a ->
8529                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8530 r)
8531             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
8532             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
8533                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8534 r) ->
8535               tpl2})
8536         (%note "bar"
8537          eta);
8538 </programlisting>
8539
8540 <para>
8541   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
8542   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
8543   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
8544   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
8545   <varname>x</varname>).
8546 </para>
8547
8548 </sect2>
8549
8550 </sect1>
8551
8552 <sect1 id="special-ids">
8553 <title>Special built-in functions</title>
8554 <para>GHC has a few built-in functions with special behaviour.  These
8555 are now described in the module <ulink
8556 url="../libraries/ghc-prim/GHC-Prim.html"><literal>GHC.Prim</literal></ulink>
8557 in the library documentation.</para>
8558 </sect1>
8559
8560
8561 <sect1 id="generic-classes">
8562 <title>Generic classes</title>
8563
8564 <para>
8565 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
8566 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
8567 An example will give the idea:
8568 </para>
8569
8570 <programlisting>
8571   import Generics
8572
8573   class Bin a where
8574     toBin   :: a -> [Int]
8575     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
8576   
8577     toBin {| Unit |}    Unit      = []
8578     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
8579     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
8580     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
8581   
8582     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
8583     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
8584     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
8585     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
8586                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
8587 </programlisting>
8588 <para>
8589 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
8590 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
8591 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
8592 </para>
8593 <programlisting>
8594   data Unit    = Unit
8595   data a :+: b = Inl a | Inr b
8596   data a :*: b = a :*: b
8597 </programlisting>
8598 <para>
8599 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
8600 <programlisting>
8601   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
8602   instance Bin a => Bin [a]
8603 </programlisting>
8604 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
8605 where clause and over-ride whichever methods you please.
8606 </para>
8607
8608     <sect2>
8609       <title> Using generics </title>
8610       <para>To use generics you need to</para>
8611       <itemizedlist>
8612         <listitem>
8613           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
8614                 <option>-XGenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
8615                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
8616                 available.  </para>
8617         </listitem>
8618         <listitem>
8619           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
8620           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
8621           scope the data types <literal>Unit</literal>,
8622           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
8623           don't need this import if you don't mention these types
8624           explicitly; for example, if you are simply giving instance
8625           declarations.)</para>
8626         </listitem>
8627       </itemizedlist>
8628     </sect2>
8629
8630 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
8631 <para>
8632 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
8633 can be written infix (indeed, you can now use
8634 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
8635 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
8636 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
8637 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
8638 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
8639 anticipate wanting).
8640 </para>
8641 </sect2>
8642
8643 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
8644 <para>
8645 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
8646 is one that is defined using type patterns as above.
8647 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
8648 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
8649 generic default method.
8650 </para>
8651
8652 <para>
8653 Restrictions:
8654 <itemizedlist>
8655 <listitem>
8656 <para>
8657 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
8658 field labels.
8659 </para>
8660 </listitem>
8661
8662 <listitem>
8663 <para>
8664 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
8665 multi-parameter class.
8666 </para>
8667 </listitem>
8668
8669 <listitem>
8670 <para>
8671 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
8672 without.  So this is illegal:
8673 <programlisting>
8674   class Foo a where
8675     op :: a -> (a, Bool)
8676     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
8677     op x               = (x,    False)
8678 </programlisting>
8679 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
8680 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
8681 </para>
8682 </listitem>
8683
8684 <listitem>
8685 <para>
8686 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
8687 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:
8688 <programlisting>
8689   class Foo a where
8690     op :: a -> Bool
8691     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
8692     ...
8693 </programlisting>
8694 </para>
8695 </listitem>
8696
8697 <listitem>
8698 <para>
8699 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
8700 <programlisting>
8701        a :+: b
8702        a :*: b
8703        Unit
8704 </programlisting>
8705 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
8706 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
8707 must use the same type variables.  So this is illegal:
8708 <programlisting>
8709   class Foo a where
8710     op :: a -> Bool
8711     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
8712     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
8713 </programlisting>
8714 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
8715 So this too is illegal:
8716 <programlisting>
8717   class Foo a where
8718     op1 :: a -> Bool
8719     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
8720
8721     op2 :: a -> Bool
8722     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
8723 </programlisting>
8724 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type constructor
8725 into a single generic instance declaration.)
8726 </para>
8727 </listitem>
8728
8729 <listitem>
8730 <para>
8731 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
8732 </para>
8733 </listitem>
8734
8735 <listitem>
8736 <para>
8737 The type for a generic method can be built only from:
8738   <itemizedlist>
8739   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
8740   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
8741   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
8742   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
8743   </itemizedlist>
8744 Here are some example type signatures for generic methods:
8745 <programlisting>
8746     op1 :: a -> Bool
8747     op2 :: Bool -> (a,Bool)
8748     op3 :: [Int] -> a -> a
8749     op4 :: [a] -> Bool
8750 </programlisting>
8751 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
8752 inside a list.  
8753 </para>
8754 <para>
8755 This restriction is an implementation restriction: we just haven't got around to
8756 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
8757 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
8758 to the ones that are allowed.</para>
8759 </listitem>
8760
8761 <listitem>
8762 <para>
8763 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
8764 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
8765 do so if
8766   <itemizedlist>
8767   <listitem>
8768   <para>
8769   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
8770   </para>
8771   </listitem>
8772   <listitem>
8773   <para>
8774   No constructor of the instance type has unboxed fields.
8775   </para>
8776   </listitem>
8777   </itemizedlist>
8778 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
8779 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
8780 provided you give explicit code to override any generic default methods.
8781 </para>
8782 </listitem>
8783
8784 </itemizedlist>
8785 </para>
8786
8787 <para>
8788 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
8789 what the compiler does with generic declarations.
8790 </para>
8791
8792 </sect2>
8793
8794 <sect2> <title> Another example </title>
8795 <para>
8796 Just to finish with, here's another example I rather like:
8797 <programlisting>
8798   class Tag a where
8799     nCons :: a -> Int
8800     nCons {| Unit |}    _ = 1
8801     nCons {| a :*: b |} _ = 1
8802     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
8803   
8804     tag :: a -> Int
8805     tag {| Unit |}    _       = 1
8806     tag {| a :*: b |} _       = 1   
8807     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
8808     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
8809 </programlisting>
8810 </para>
8811 </sect2>
8812 </sect1>
8813
8814 <sect1 id="monomorphism">
8815 <title>Control over monomorphism</title>
8816
8817 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
8818 carried out at let and where bindings.
8819 </para>
8820
8821 <sect2>
8822 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
8823           <indexterm><primary><option>-XNoMonomorphismRestriction</option></primary></indexterm>
8824
8825 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
8826 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
8827 4.5.5</ulink>
8828 of the Haskell Report)
8829 can be completely switched off by
8830 <option>-XNoMonomorphismRestriction</option>.
8831 </para>
8832 </sect2>
8833
8834 <sect2>
8835 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
8836           <indexterm><primary><option>-XNoMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8837           <indexterm><primary><option>-XMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8838
8839           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
8840           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
8841             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
8842             and is not a simple variable.  For example:
8843 <programlisting>
8844   f x = x                    -- Not a pattern binding
8845   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
8846   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
8847
8848   (g,h) = e                  -- A pattern binding
8849   (f) = e                    -- A pattern binding
8850   [x] = e                    -- A pattern binding
8851 </programlisting>
8852 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
8853 default</emphasis>.  Use <option>-XNoMonoPatBinds</option> to recover the
8854 standard behaviour.
8855 </para>
8856 </sect2>
8857 </sect1>
8858
8859
8860
8861 <!-- Emacs stuff:
8862      ;;; Local Variables: ***
8863      ;;; mode: xml ***
8864      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
8865      ;;; ispell-local-dictionary: "british" ***
8866      ;;; End: ***
8867  -->
8868