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