Remove InlinePlease and add inline function and RULE
[ghc-hetmet.git] / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
121         </term>
122         <listitem>
123           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
124           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
125           flag. </para>
126         </listitem>
127       </varlistentry>
128
129       <varlistentry>
130         <term>
131           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
132           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
133         </term>
134         <term>
135           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
136           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
137         </term>
138         <term>
139           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
140           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
141         </term>
142         <term>
143           <option>-fcontext-stack</option>
144           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
145         </term>
146         <listitem>
147           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
148           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
149         </listitem>
150       </varlistentry>
151
152       <varlistentry>
153         <term>
154           <option>-finline-phase</option>
155           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
159           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-farrows</option>
166           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
170           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171
172           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
173           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
174           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
175           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
176
177           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
178           <literal>|)</literal>.</para>
179         </listitem>
180       </varlistentry>
181
182       <varlistentry>
183         <term>
184           <option>-fgenerics</option>
185           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
186         </term>
187         <listitem>
188           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
189           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
195         <listitem>
196           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
197           option</primary></indexterm> GHC normally imports
198           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
199           rather it didn't, then give it a
200           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
201           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
202           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
203           namespace is flat, and you must not conflict with any
204           Prelude module.)</para>
205
206           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
207           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
208           Prelude types and values, as specified by the Haskell
209           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
210           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
211           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
212           translation for list comprehensions continues to use
213           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
214
215           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
216           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
217           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
218         </listitem>
219       </varlistentry>
220
221       <varlistentry>
222         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
223         <listitem>
224           <para>Enables implicit parameters (see <xref
225           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
226           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
227
228           <para>Syntax stolen:
229           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
230           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
231         </listitem>
232       </varlistentry>
233
234       <varlistentry>
235         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
236         <listitem>
237           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
238           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
239           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
240         </listitem>
241       </varlistentry>
242
243       <varlistentry>
244         <term><option>-fth</option></term>
245         <listitem>
246           <para>Enables Template Haskell (see <xref
247           linkend="template-haskell"/>).  This flag must
248           be given explicitly; it is no longer implied by
249           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
250
251           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
252           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
253           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
254           <literal>$(</literal>,
255           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
256         </listitem>
257       </varlistentry>
258
259     </variablelist>
260   </sect1>
261
262 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
263 <!--    included from primitives.sgml  -->
264 <!-- &primitives; -->
265 <sect1 id="primitives">
266   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
267
268 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
269 While you really can use this stuff to write fast code,
270   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
271   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
272   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
273   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
274   about it.</para>
275
276 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
277 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
278 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
279 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
280
281 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
282 work over those types, is held in the file
283 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
284 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
285 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
286
287 <para> Indeed,
288 the result of such processing is part of the description of the 
289  <ulink
290       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
291          Core language</ulink>.
292 So that document is a good place to look for a type-set version.
293 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
294 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
295 we could include the results here in the User Guide.</para>
296
297 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
298   
299 <sect2 id="glasgow-unboxed">
300 <title>Unboxed types
301 </title>
302
303 <para>
304 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
305 </para>
306
307 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
308 that values of that type are represented by a pointer to a heap
309 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
310 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
311 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
312 allocation are involved.
313 </para>
314
315 <para>
316 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
317 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
318 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
319 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
320 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
321 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
322 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
323 know and love&mdash;usually one instruction.
324 </para>
325
326 <para>
327 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
328 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
329 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
330 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
331 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
332 </para>
333
334 <para>
335 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
336 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
337 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
338 a primitive value might be represented by a pointer to a
339 heap-allocated object.  Examples include
340 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
341 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
342 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
343 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
344 represents a primitive value, then it really does point to that value:
345 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
346 other end of the pointer than the primitive value.
347 A numerically-intensive program using unboxed types can
348 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
349 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
350 </para>
351
352 <para>
353 There are some restrictions on the use of primitive types:
354 <itemizedlist>
355 <listitem><para>The main restriction
356 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
357 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
358 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
359 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
360 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
361 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
362 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
363 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
364 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
365 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
366 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
367 </para>
368 </listitem>
369 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
370 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
371 </para></listitem>
372 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
373 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
374 </para></listitem>
375 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
376 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
377 pattern-match
378 to become strict.  For example:
379 <programlisting>
380   data Foo = Foo Int Int#
381
382   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
383 </programlisting>
384 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
385 match
386 is strict, and the program behaves as if you had written
387 <programlisting>
388   data Foo = Foo Int Int#
389
390   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
391 </programlisting>
392 </para>
393 </listitem>
394 </itemizedlist>
395 </para>
396
397 </sect2>
398
399 <sect2 id="unboxed-tuples">
400 <title>Unboxed Tuples
401 </title>
402
403 <para>
404 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
405 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
406 unboxed tuple looks like this:
407 </para>
408
409 <para>
410
411 <programlisting>
412 (# e_1, ..., e_n #)
413 </programlisting>
414
415 </para>
416
417 <para>
418 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
419 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
420 the same.
421 </para>
422
423 <para>
424 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
425 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
426 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
427 components are put directly into registers or on the stack; the
428 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
429 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
430 tuples.
431 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
432 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
433 </para>
434
435 <para>
436 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
437 <itemizedlist>
438 <listitem>
439
440 <para>
441 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
442 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
443 structures or passed to polymorphic functions.
444
445 </para>
446 </listitem>
447 <listitem>
448
449 <para>
450 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
451 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
452
453
454 <programlisting>
455   data Foo = Foo (# Int, Int #)
456
457   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
458   f x = x
459
460   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
461   g (# a,b #) = a
462
463   h x = let y = (# x,x #) in ...
464 </programlisting>
465 </para>
466 </listitem>
467 </itemizedlist>
468 </para>
469 <para>
470 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
471 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
472 <programlisting>
473   f x y = (# x+1, y-1 #)
474   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
475 </programlisting>
476 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
477 <programlisting>
478   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
479 </programlisting>
480 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
481 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
482 above example desugars like this:
483 <programlisting>
484   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
485             p = fst t
486             q = snd t
487         in ..body..
488 </programlisting>
489 Indeed, the bindings can even be recursive.
490 </para>
491
492 </sect2>
493 </sect1>
494
495
496 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
497
498 <sect1 id="syntax-extns">
499 <title>Syntactic extensions</title>
500  
501     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
502
503     <sect2 id="hierarchical-modules">
504       <title>Hierarchical Modules</title>
505
506       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
507       names: a module name is allowed to contain a dot
508       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
509       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
510       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
511       more flexible hierarchy of modules.</para>
512
513       <para>This extension has very little impact on the language
514       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
515       qualified, so you can just think of the fully qualified module
516       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
517       means that the full module name must be given after the
518       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
519       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
520       begin</para>
521
522 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
523
524
525       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
526       keyword to save some typing when using qualified names with
527       hierarchical modules.  For example:</para>
528
529 <programlisting>
530 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
531 </programlisting>
532
533       <para>For details on how GHC searches for source and interface
534       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
535       linkend="search-path"/>.</para>
536
537       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
538       hierarchically; see the accompanying library documentation.
539       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
540       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
541       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
542       current status of that project.  For more details, see <ulink
543       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
544       Libraries</ulink>.</para>
545
546     </sect2>
547
548     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
549
550 <sect2 id="pattern-guards">
551 <title>Pattern guards</title>
552
553 <para>
554 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
555 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.)
556 </para>
557
558 <para>
559 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
560 lookup operation:
561
562 <programlisting>
563 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
564 </programlisting>
565
566 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
567 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
568 </para>
569
570 <programlisting>
571 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
572 | otherwise  = var1 + var2
573 where
574   m1 = lookup env var1
575   m2 = lookup env var2
576   ok1 = maybeToBool m1
577   ok2 = maybeToBool m2
578   val1 = expectJust m1
579   val2 = expectJust m2
580 </programlisting>
581
582 <para>
583 The auxiliary functions are 
584 </para>
585
586 <programlisting>
587 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
588 maybeToBool (Just x) = True
589 maybeToBool Nothing  = False
590
591 expectJust :: Maybe a -&gt; a
592 expectJust (Just x) = x
593 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
594 </programlisting>
595
596 <para>
597 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
598 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
599 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
600 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
601 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
602 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
603 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
604 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
605 </para>
606
607 <para>
608 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
609 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
610 to write clunky would be to use case expressions:
611 </para>
612
613 <programlisting>
614 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
615   Nothing -&gt; fail
616   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
617     Nothing -&gt; fail
618     Just val2 -&gt; val1 + val2
619 where
620   fail = val1 + val2
621 </programlisting>
622
623 <para>
624 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
625 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
626 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
627 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
628 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
629 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
630 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
631 tends to become more and more indented. 
632 </para>
633
634 <para>
635 Here is how I would write clunky:
636 </para>
637
638 <programlisting>
639 clunky env var1 var1
640   | Just val1 &lt;- lookup env var1
641   , Just val2 &lt;- lookup env var2
642   = val1 + val2
643 ...other equations for clunky...
644 </programlisting>
645
646 <para>
647 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
648 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
649 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
650 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
651 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
652 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
653 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
654 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
655 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
656 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
657 </para>
658
659 <para>
660 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
661 with among the pattern guards.  For example:
662 </para>
663
664 <programlisting>
665 f x | [y] &lt;- x
666     , y > 3
667     , Just z &lt;- h y
668     = ...
669 </programlisting>
670
671 <para>
672 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
673 qualifier list has just one element, a boolean expression.
674 </para>
675 </sect2>
676
677     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
678
679 <sect2 id="mdo-notation">
680 <title>The recursive do-notation
681 </title>
682
683 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
684 "A recursive do for Haskell",
685 Levent Erkok, John Launchbury",
686 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
687 </para>
688 <para>
689 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
690 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
691 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
692 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
693 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
694 </para>
695 <para>
696 Here is a simple (yet contrived) example:
697 </para>
698 <programlisting>
699 import Control.Monad.Fix
700
701 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
702                return xs
703 </programlisting>
704 <para>
705 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
706 </para>
707
708 <para>
709 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
710 </para>
711 <programlisting>
712 class Monad m => MonadFix m where
713    mfix :: (a -> m a) -> m a
714 </programlisting>
715 <para>
716 The function <literal>mfix</literal>
717 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
718 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
719 For details, see the above mentioned reference.
720 </para>
721 <para>
722 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
723 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
724 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
725 </para>
726 <para>
727 There are three important points in using the recursive-do notation:
728 <itemizedlist>
729 <listitem><para>
730 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
731 than <literal>do</literal>).
732 </para></listitem>
733
734 <listitem><para>
735 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
736 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
737 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
738 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
739 </para></listitem>
740
741 <listitem><para>
742 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
743 </para></listitem>
744 </itemizedlist>
745 </para>
746
747 <para>
748 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
749 contains up to date information on recursive monadic bindings.
750 </para>
751
752 <para>
753 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
754 of the existing documents) used the name
755 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
756 This name is not supported by GHC.
757 </para>
758
759 </sect2>
760
761
762    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
763
764   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
765     <title>Parallel List Comprehensions</title>
766     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
767     </indexterm>
768     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
769     </indexterm>
770
771     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
772     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
773     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
774     extend this to include the zipWith family.</para>
775
776     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
777     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
778     example, the following zips together two lists:</para>
779
780 <programlisting>
781    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
782 </programlisting>
783
784     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
785     zip, in that the resulting list will have the same length as the
786     shortest branch.</para>
787
788     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
789     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
790
791     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
792
793 <programlisting>
794    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
795        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
796        ... 
797    ] 
798 </programlisting>
799
800     <para>This will be translated to: </para>
801
802 <programlisting>
803    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
804                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
805                                          ... 
806    ] 
807 </programlisting>
808
809     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
810     branches.</para>
811
812   </sect2>
813
814 <sect2 id="rebindable-syntax">
815 <title>Rebindable syntax</title>
816
817
818       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
819       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
820       with a home-grown version, for example.</para>
821
822             <para>You may want to define your own numeric class
823             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
824             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
825             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
826             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
827             the following pieces of built-in syntax to refer to
828             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
829             versions:
830
831             <itemizedlist>
832               <listitem>
833                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
834                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
835                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
836 </para> </listitem>         
837
838       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
839           except that the translation is 
840               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
841 </para> </listitem>         
842
843           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
844               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
845 </para> </listitem>         
846
847           <listitem><para>The subtraction operation, and the
848           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
849               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
850               </para></listitem>
851
852               <listitem>
853                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
854                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
855                 patterns, and expressions.
856               </para></listitem>
857
858               <listitem>
859           <para>"Do" notation is translated using whatever
860               functions <literal>(>>=)</literal>,
861               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
862               are in scope (not the Prelude
863               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
864               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
865
866               <listitem>
867                 <para>Arrow
868                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
869                 uses whatever <literal>arr</literal>,
870                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
871                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
872                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
873                 other constructs, the types of these functions must match the
874                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
875                 to use this, ask!
876               </para></listitem>
877             </itemizedlist>
878 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
879 even if that is a little unexpected. For emample, the 
880 static semantics of the literal <literal>368</literal>
881 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
882 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
883 <programlisting>
884 fromInteger :: Integer -> Integer
885 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
886 fromInteger :: Num a => a -> Integer
887 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
888 </programlisting>
889 </para>
890                 
891              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
892              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
893              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
894              you should be all right.</para>
895
896 </sect2>
897 </sect1>
898
899
900 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
901 <sect1 id="type-extensions">
902 <title>Type system extensions</title>
903
904
905 <sect2>
906 <title>Data types and type synonyms</title>
907
908 <sect3 id="nullary-types">
909 <title>Data types with no constructors</title>
910
911 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
912 a data type with no constructors.  For example:</para>
913
914 <programlisting>
915   data S      -- S :: *
916   data T a    -- T :: * -> *
917 </programlisting>
918
919 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
920 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
921 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
922 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
923
924 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
925 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
926 </sect3>
927
928 <sect3 id="infix-tycons">
929 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
930
931 <para>
932 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
933 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
934 <itemizedlist>
935 <listitem><para>
936   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
937   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
938   </para></listitem>
939 <listitem><para>
940   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
941   if you want further arguments.  E.g.
942 <screen>
943   data a :*: b = Foo a b
944   type a :+: b = Either a b
945   class a :=: b where ...
946
947   data (a :**: b) x = Baz a b x
948   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
949 </screen>
950   </para></listitem>
951 <listitem><para>
952   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
953   <screen>
954         x :: Int :*: Bool
955         f :: (a :=: b) => a -> b
956   </screen>
957   </para></listitem>
958 <listitem><para>
959   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
960   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
961   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
962   parenthesised.  For example:
963 <programlisting>
964    type T (+) = Int + Int
965    f :: T Either
966    f = Left 3
967  
968    liftA2 :: Arrow (~>)
969           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
970    liftA2 = ...
971 </programlisting>
972   </para></listitem>
973 <listitem><para>
974   Back-quotes work
975   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
976   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
977   </para></listitem>
978 <listitem><para>
979   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
980   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
981   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
982 <screen>
983   infixl 7 T, :*:
984 </screen>
985   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
986   and similarly for <literal>:*:</literal>.
987   <literal>Int `a` Bool</literal>.
988   </para></listitem>
989 <listitem><para>
990   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
991   </para></listitem>
992
993 </itemizedlist>
994 </para>
995 </sect3>
996
997 <sect3 id="type-synonyms">
998 <title>Liberalised type synonyms</title>
999
1000 <para>
1001 Type synonyms are like macros at the type level, and
1002 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1003 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1004 <itemizedlist>
1005 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1006 in a type synonym, thus:
1007 <programlisting>
1008   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1009
1010   f :: Discard a
1011   f x y = (x, show y)
1012
1013   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1014   g f = f 3 True
1015 </programlisting>
1016 </para>
1017 </listitem>
1018
1019 <listitem><para>
1020 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1021 <programlisting>
1022   type Pr = (# Int, Int #)
1023
1024   h :: Int -> Pr
1025   h x = (# x, x #)
1026 </programlisting>
1027 </para></listitem>
1028
1029 <listitem><para>
1030 You can apply a type synonym to a forall type:
1031 <programlisting>
1032   type Foo a = a -> a -> Bool
1033  
1034   f :: Foo (forall b. b->b)
1035 </programlisting>
1036 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1037 <programlisting>
1038   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1039 </programlisting>
1040 </para></listitem>
1041
1042 <listitem><para>
1043 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1044 <programlisting>
1045   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1046   type Id x = x
1047   
1048   foo :: Generic Id []
1049 </programlisting>
1050 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1051 <programlisting>
1052   foo :: forall x. x -> [x]
1053 </programlisting>
1054 </para></listitem>
1055
1056 </itemizedlist>
1057 </para>
1058
1059 <para>
1060 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1061 could be changed.)
1062 </para>
1063 <para>
1064 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1065 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1066 <itemizedlist>
1067 <listitem><para>
1068 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1069 </para></listitem>
1070 <listitem><para>
1071 Unboxed tuple on left of an arrow.
1072 </para></listitem>
1073 <listitem><para>
1074 Partially-applied type synonym.
1075 </para></listitem>
1076 </itemizedlist>
1077 So, for example,
1078 this will be rejected:
1079 <programlisting>
1080   type Pr = (# Int, Int #)
1081
1082   h :: Pr -> Int
1083   h x = ...
1084 </programlisting>
1085 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1086 </para>
1087 </sect3>
1088
1089
1090 <sect3 id="existential-quantification">
1091 <title>Existentially quantified data constructors
1092 </title>
1093
1094 <para>
1095 The idea of using existential quantification in data type declarations
1096 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1097 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1098 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1099 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1100 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1101 It's been in Lennart
1102 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1103 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1104 </para>
1105
1106 <para>
1107
1108 <programlisting>
1109   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1110            | Nil
1111 </programlisting>
1112
1113 </para>
1114
1115 <para>
1116 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1117 </para>
1118
1119 <para>
1120
1121 <programlisting>
1122   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1123   Nil   :: Foo
1124 </programlisting>
1125
1126 </para>
1127
1128 <para>
1129 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1130 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1131 For example, the following expression is fine:
1132 </para>
1133
1134 <para>
1135
1136 <programlisting>
1137   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1138 </programlisting>
1139
1140 </para>
1141
1142 <para>
1143 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1144 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1145 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1146 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1147 </para>
1148
1149 <para>
1150 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1151 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1152 </para>
1153
1154 <para>
1155
1156 <programlisting>
1157   f (MkFoo val fn) = ???
1158 </programlisting>
1159
1160 </para>
1161
1162 <para>
1163 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1164 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1165 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1166 </para>
1167
1168 <para>
1169
1170 <programlisting>
1171   f :: Foo -> Bool
1172   f (MkFoo val fn) = fn val
1173 </programlisting>
1174
1175 </para>
1176
1177 <para>
1178 What this allows us to do is to package heterogenous values
1179 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1180 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1181 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1182 </para>
1183
1184 <sect4 id="existential">
1185 <title>Why existential?
1186 </title>
1187
1188 <para>
1189 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1190 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1191 </para>
1192
1193 <para>
1194
1195 <programlisting>
1196   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1197 </programlisting>
1198
1199 </para>
1200
1201 <para>
1202 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1203 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1204 adding a new existential quantification construct.
1205 </para>
1206
1207 </sect4>
1208
1209 <sect4>
1210 <title>Type classes</title>
1211
1212 <para>
1213 An easy extension is to allow
1214 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1215 </para>
1216
1217 <para>
1218
1219 <programlisting>
1220 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1221          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1222 </programlisting>
1223
1224 </para>
1225
1226 <para>
1227 The two constructors have the types you'd expect:
1228 </para>
1229
1230 <para>
1231
1232 <programlisting>
1233 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1234 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1235 </programlisting>
1236
1237 </para>
1238
1239 <para>
1240 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1241 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1242 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1243 So this program is legal:
1244 </para>
1245
1246 <para>
1247
1248 <programlisting>
1249   f :: Baz -> String
1250   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1251                | otherwise = "No"
1252   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1253 </programlisting>
1254
1255 </para>
1256
1257 <para>
1258 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1259 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1260 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1261 extract it on pattern matching.
1262 </para>
1263
1264 <para>
1265 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1266 universal quantification earlier.
1267 </para>
1268
1269 </sect4>
1270
1271 <sect4>
1272 <title>Record Constructors</title>
1273
1274 <para>
1275 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1276
1277 <programlisting>
1278 data Counter a = forall self. NewCounter
1279     { _this    :: self
1280     , _inc     :: self -> self
1281     , _display :: self -> IO ()
1282     , tag      :: a
1283     }
1284 </programlisting>
1285 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1286 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1287 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1288 <literal>_inc</literal> or <literal>_output</literal> as functions will raise a
1289 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1290 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1291 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1292 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1293 </para>
1294
1295 <para>
1296 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1297
1298 <programlisting>
1299 inc :: Counter a -> Counter a
1300 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1301     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1302
1303 display :: Counter a -> IO ()
1304 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1305 </programlisting>
1306
1307 Now we can define counters with different underlying implementations:
1308
1309 <programlisting>
1310 counterA :: Counter String 
1311 counterA = NewCounter
1312     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1313
1314 counterB :: Counter String 
1315 counterB = NewCounter
1316     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1317
1318 main = do
1319     display (inc counterA)         -- prints "1"
1320     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1321 </programlisting>
1322
1323 In GADT declarations (see <xref linkend="gadt"/>), the explicit
1324 <literal>forall</literal> may be omitted.  For example, we can express
1325 the same <literal>Counter a</literal> using GADT:
1326
1327 <programlisting>
1328 data Counter a where
1329     NewCounter { _this    :: self
1330                , _inc     :: self -> self
1331                , _display :: self -> IO ()
1332                , tag      :: a
1333                }
1334         :: Counter a
1335 </programlisting>
1336
1337 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1338 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1339
1340 <programlisting>
1341 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1342 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1343 setTag obj t = obj{ tag = t }
1344 </programlisting>
1345
1346 </para>
1347
1348 </sect4>
1349
1350
1351 <sect4>
1352 <title>Restrictions</title>
1353
1354 <para>
1355 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1356 constructors can be use.
1357 </para>
1358
1359 <para>
1360
1361 <itemizedlist>
1362 <listitem>
1363
1364 <para>
1365  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1366 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1367 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1368 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1369
1370
1371 <programlisting>
1372 f1 (MkFoo a f) = a
1373 </programlisting>
1374
1375
1376 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1377 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1378 ask what type <function>f1</function> has:
1379
1380
1381 <programlisting>
1382   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1383 </programlisting>
1384
1385
1386 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1387 this:
1388
1389
1390 <programlisting>
1391   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1392 </programlisting>
1393
1394
1395 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1396
1397
1398 <programlisting>
1399   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1400 </programlisting>
1401
1402
1403 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1404 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1405 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1406
1407
1408 </para>
1409 </listitem>
1410 <listitem>
1411
1412 <para>
1413 You can't pattern-match on an existentially quantified
1414 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1415 bindings. So this is illegal:
1416
1417
1418 <programlisting>
1419   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1420 </programlisting>
1421
1422 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1423
1424 <programlisting>
1425   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1426 </programlisting>
1427
1428 In general, you can only pattern-match
1429 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1430 in the patterns of a function definition.
1431
1432 The reason for this restriction is really an implementation one.
1433 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1434 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1435 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1436 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1437 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1438 annoying it is.
1439
1440 </para>
1441 </listitem>
1442 <listitem>
1443
1444 <para>
1445 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1446 declarations.  So this is illegal:
1447
1448
1449 <programlisting>
1450   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1451 </programlisting>
1452
1453
1454 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1455 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1456 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1457 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1458 You can get just the same efficiency and effect by using
1459 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1460 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1461 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1462 because the <literal>data</literal> version does carry an
1463 implementation cost, but single-field existentially quantified
1464 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1465 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1466 are convincing reasons to change it.
1467
1468
1469 </para>
1470 </listitem>
1471 <listitem>
1472
1473 <para>
1474  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1475 data type with existentially quantified data constructors.
1476
1477 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1478
1479 <programlisting>
1480 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1481 </programlisting>
1482
1483 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1484 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1485
1486 <programlisting>
1487 instance Eq T where
1488   (MkT a) == (MkT b) = ???
1489 </programlisting>
1490
1491 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1492 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1493 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1494 declarations.  Define your own instances!
1495 </para>
1496 </listitem>
1497
1498 </itemizedlist>
1499
1500 </para>
1501
1502 </sect4>
1503 </sect3>
1504
1505 </sect2>
1506
1507
1508
1509 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1510 <title>Class declarations</title>
1511
1512 <para>
1513 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
1514 There's lots of background in the paper <ulink
1515 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1516 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1517 Jones, Erik Meijer).
1518 </para>
1519 <para>
1520 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
1521 </para>
1522
1523 <sect3>
1524 <title>Multi-parameter type classes</title>
1525 <para>
1526 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
1527
1528
1529 <programlisting>
1530   class Collection c a where
1531     union :: c a -> c a -> c a
1532     ...etc.
1533 </programlisting>
1534
1535 </para>
1536 </sect3>
1537
1538 <sect3>
1539 <title>The superclasses of a class declaration</title>
1540
1541 <para>
1542 There are no restrictions on the context in a class declaration
1543 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1544 be acyclic.  So these class declarations are OK:
1545
1546
1547 <programlisting>
1548   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1549     ...
1550
1551   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1552     lift :: m a -> (t m) a
1553 </programlisting>
1554
1555
1556 </para>
1557 <para>
1558 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
1559 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1560 this is OK:
1561
1562
1563 <programlisting>
1564   class C a where {
1565     op :: D b => a -> b -> b
1566   }
1567
1568   class C a => D a where { ... }
1569 </programlisting>
1570
1571
1572 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1573 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1574 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1575 </para>
1576 </sect3>
1577
1578
1579
1580
1581 <sect3 id="class-method-types">
1582 <title>Class method types</title>
1583
1584 <para>
1585 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1586 class type variable, thus:
1587 <programlisting>
1588   class Seq s a where
1589     fromList :: [a] -> s a
1590     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1591 </programlisting>
1592 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1593 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1594 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1595 GHC lifts this restriction.
1596 </para>
1597
1598
1599 </sect3>
1600 </sect2>
1601
1602 <sect2 id="functional-dependencies">
1603 <title>Functional dependencies
1604 </title>
1605
1606 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1607 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1608 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1609 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1610 .
1611 </para>
1612 <para>
1613 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1614 class declaration;  e.g. 
1615 <programlisting>
1616   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1617
1618   class Foo a b c | a b -> c where ...
1619 </programlisting>
1620 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1621 </para>
1622
1623 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
1624 <para>
1625 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
1626 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1627 from the free variables of each method type.
1628 For example:
1629
1630 <programlisting>
1631   class Coll s a where
1632     empty  :: s
1633     insert :: s -> a -> s
1634 </programlisting>
1635
1636 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1637 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
1638 reachable:
1639 <programlisting>
1640   class Coll s a | s -> a where
1641     empty  :: s
1642     insert :: s -> a -> s
1643 </programlisting>
1644
1645 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
1646
1647 <programlisting>
1648   class Coll s a where
1649     empty  :: s a
1650     insert :: s a -> a -> s a
1651 </programlisting>
1652
1653
1654 which makes the connection between the type of a collection of
1655 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1656 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1657 class like this:
1658
1659
1660 <programlisting>
1661   class CollE s where
1662     empty  :: s
1663
1664   class CollE s => Coll s a where
1665     insert :: s -> a -> s
1666 </programlisting>
1667 </para>
1668 </sect3>
1669
1670
1671 <sect3>
1672 <title>Background on functional dependencies</title>
1673
1674 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
1675 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
1676 permission of Mark Jones.
1677 </para>
1678 <para> 
1679 Consider the following class, intended as part of a
1680 library for collection types:
1681 <programlisting>
1682    class Collects e ce where
1683        empty  :: ce
1684        insert :: e -> ce -> ce
1685        member :: e -> ce -> Bool
1686 </programlisting>
1687 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
1688 of the container itself. Within this framework, we might want to define
1689 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
1690 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
1691 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
1692 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
1693 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
1694 <programlisting>
1695    instance Eq e => Collects e [e] where ...
1696    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
1697    instance Collects Char BitSet where ...
1698    instance (Hashable e, Collects a ce)
1699               => Collects e (Array Int ce) where ...
1700 </programlisting>
1701 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
1702 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
1703 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
1704 <programlisting>
1705    empty :: Collects e ce => ce
1706 </programlisting>
1707 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
1708 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
1709 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
1710 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
1711 type.
1712 </para>
1713 <para>
1714 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
1715 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
1716 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
1717 them. For example, consider the following two functions: 
1718 <programlisting>
1719    f x y = insert x . insert y
1720    g     = f True 'a'
1721 </programlisting>
1722 for which GHC infers the following types: 
1723 <programlisting>
1724    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1725    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
1726 </programlisting>
1727 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
1728 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
1729 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
1730 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
1731 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
1732 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
1733 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
1734 might even be in a different module.
1735 </para>
1736
1737 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
1738
1739 <para>
1740 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
1741 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
1742 <programlisting>
1743    class Collects e c where
1744       empty  :: c e
1745       insert :: e -> c e -> c e
1746       member :: e -> c e -> Bool
1747 </programlisting>
1748 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
1749 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
1750 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
1751 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
1752 e</literal>, which is not ambiguous. 
1753 </para>
1754 <para>
1755 The function f from the previous section has a more accurate type: 
1756 <programlisting>
1757    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
1758 </programlisting>
1759 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
1760 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
1761 different types. 
1762 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
1763 quite well in practice, without ambiguity problems.
1764 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
1765 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
1766 for <literal>Collects</literal>
1767 given above can be used with this version of Collects because only one of
1768 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
1769 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
1770 </para>
1771 </sect4>
1772
1773 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
1774
1775 <para>
1776 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
1777 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
1778 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
1779 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
1780 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
1781 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
1782 later framework for "improvement" of qualified types. The
1783 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
1784 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
1785 general design space for systems of implicit parameterization.).
1786
1787 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
1788 <programlisting>
1789    class C a b where ...
1790 </programlisting>
1791 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
1792 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
1793 included in the definition of classes to add information about dependencies
1794 between parameters, as in the following examples: 
1795 <programlisting>
1796    class D a b | a -> b where ...
1797    class E a b | a -> b, b -> a where ...
1798 </programlisting>
1799 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
1800 symbols --- not to be
1801 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
1802 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
1803 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
1804 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
1805 represents a (partial) one-one mapping between types.
1806 </para>
1807 <para>
1808 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
1809 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
1810 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
1811 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
1812 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
1813 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
1814 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
1815 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
1816 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
1817 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
1818 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
1819 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
1820 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
1821 <literal>a-&gt;b</literal>, 
1822  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
1823 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
1824 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
1825 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
1826 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
1827 unchanged.
1828 </para>
1829 <para>
1830 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
1831 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
1832 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
1833 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
1834 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
1835 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
1836 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
1837 <programlisting>
1838    instance D Bool Int where ...
1839    instance D Bool Char where ...
1840 </programlisting>
1841 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
1842 <programlisting>
1843    instance D [a] b where ...
1844 </programlisting>
1845 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
1846 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
1847 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
1848 in any instance of the form: 
1849 <programlisting>
1850    instance D t s where ...
1851 </programlisting>
1852 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
1853 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
1854 uniquely determined.
1855 </para>
1856 <para>
1857 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
1858 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
1859 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
1860 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
1861 with a simple dependency: 
1862 <programlisting>
1863    class Collects e ce | ce -> e where
1864       empty  :: ce
1865       insert :: e -> ce -> ce
1866       member :: e -> ce -> Bool
1867 </programlisting>
1868 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
1869 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
1870 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
1871 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
1872 together with this new definition.
1873 </para>
1874 <para>
1875 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
1876 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
1877 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
1878 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
1879 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
1880 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
1881 give enough information to determine types for both ce and e, without
1882 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
1883 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
1884 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
1885 </para>
1886 <para>
1887 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
1888 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
1889 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
1890 function f: 
1891 <programlisting>
1892    f x y = insert x y = insert x . insert y
1893 </programlisting>
1894 for which we originally obtained a type: 
1895 <programlisting>
1896    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1897 </programlisting>
1898 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
1899 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
1900 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
1901 can infer a shorter and more accurate type for f: 
1902 <programlisting>
1903    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
1904 </programlisting>
1905 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
1906 </para>
1907 <para>
1908 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
1909 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
1910 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
1911 sets of instance declarations.
1912 </para>
1913 </sect4>
1914 </sect3>
1915 </sect2>
1916
1917 <sect2 id="instance-decls">
1918 <title>Instance declarations</title>
1919
1920 <sect3 id="instance-rules">
1921 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
1922
1923 <para>An instance declaration has the form
1924 <screen>
1925   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 ...
1926 </screen>
1927 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
1928 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
1929 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
1930 </para>
1931
1932 <para>
1933 In Haskell 98 the head of an instance declaration
1934 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
1935 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
1936 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
1937 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration
1938 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
1939 is a type variable that occurs in the head.
1940 </para>
1941 <para>
1942 The <option>-fglasgow-exts</option> flag loosens these restrictions
1943 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
1944 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
1945 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
1946 following rules:
1947 <orderedlist>
1948 <listitem><para>
1949 For each assertion in the context:
1950 <orderedlist>
1951 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
1952 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
1953       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
1954 </orderedlist>
1955 </para></listitem>
1956
1957 <listitem><para>The coverage condition.  For each functional dependency,
1958 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
1959 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
1960 every type variable in
1961 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
1962 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
1963 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
1964 corresponding type in the instance declaration.
1965 </para></listitem>
1966 </orderedlist>
1967 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
1968 step makes the problem smaller by at least one
1969 constructor.  For example, the following would make the type checker
1970 loop if it wasn't excluded:
1971 <programlisting>
1972   instance C a => C a where ...
1973 </programlisting>
1974 For example, these are OK:
1975 <programlisting>
1976   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
1977   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
1978
1979       -- Repeated type variable in head
1980   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
1981   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
1982
1983       -- Head can consist of type variables only
1984   instance C a
1985   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
1986
1987       -- Non-type variables in context
1988   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
1989   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
1990   instance C2 Int a => C3 [a] b
1991 </programlisting>
1992 But these are not:
1993 <programlisting>
1994       -- Context assertion no smaller than head
1995   instance C a => C a where ...
1996       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
1997   instance C b b => Foo [b] where ...
1998 </programlisting>
1999 </para>
2000
2001 <para>
2002 The same restrictions apply to instances generated by
2003 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
2004 <programlisting>
2005   data MinHeap h a = H a (h a)
2006     deriving (Show)
2007 </programlisting>
2008 because the derived instance
2009 <programlisting>
2010   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
2011 </programlisting>
2012 conforms to the above rules.
2013 </para>
2014
2015 <para>
2016 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
2017 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
2018 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
2019 something more specific does not:
2020 <programlisting>
2021   instance C a where
2022     op = ... -- Default
2023 </programlisting>
2024 </para>
2025 </sect3>
2026
2027 <sect3 id="undecidable-instances">
2028 <title>Undecidable instances</title>
2029
2030 <para>
2031 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
2032 For example, sometimes you might want to use the following to get the
2033 effect of a "class synonym":
2034 <programlisting>
2035   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2036
2037   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2038 </programlisting>
2039 This allows you to write shorter signatures:
2040 <programlisting>
2041   f :: C a => ...
2042 </programlisting>
2043 instead of
2044 <programlisting>
2045   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
2046 </programlisting>
2047 The restrictions on functional dependencies (<xref
2048 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
2049 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
2050 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
2051 <programlisting>
2052   class HasConverter a b | a -> b where
2053      convert :: a -> b
2054    
2055   data Foo a = MkFoo a
2056
2057   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
2058      show (MkFoo value) = show (convert value)
2059 </programlisting>
2060 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
2061 typechecker loop:
2062 <programlisting>
2063   class D a
2064   class F a b | a->b
2065   instance F [a] [[a]]
2066   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
2067 </programlisting>  
2068 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
2069 <programlisting>
2070   class Mul a b c | a b -> c where
2071         (.*.) :: a -> b -> c
2072
2073   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
2074   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
2075   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
2076 </programlisting>
2077 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
2078 and indeed the (somewhat strange) definition:
2079 <programlisting>
2080   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
2081 </programlisting>
2082 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
2083 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
2084 </para>
2085 <para>
2086 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
2087 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
2088 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
2089 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
2090 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
2091 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
2092 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
2093 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
2094 </para>
2095
2096 </sect3>
2097
2098
2099 <sect3 id="instance-overlap">
2100 <title>Overlapping instances</title>
2101 <para>
2102 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
2103 declaration
2104 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
2105 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
2106 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
2107 </primary></indexterm> 
2108 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
2109 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
2110 </primary></indexterm>, as this section discusses.</para>
2111 <para>
2112 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
2113 it tries to match every instance declaration against the
2114 constraint,
2115 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
2116 these declarations:
2117 <programlisting>
2118   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
2119   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
2120   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
2121   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
2122 </programlisting>
2123 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
2124 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
2125 no account of the context of the instance declaration
2126 (<literal>context1</literal> etc).
2127 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
2128 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
2129 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
2130 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
2131 particular constraint matches more than one.
2132 </para>
2133
2134 <para>
2135 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
2136 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
2137 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
2138 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
2139 most-specific match, the program is rejected.
2140 </para>
2141 <para>
2142 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
2143 <programlisting>
2144   f :: [b] -> [b]
2145   f x = ...
2146 </programlisting>
2147 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
2148 <literal>C Int [b]</literal>.  But
2149 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
2150 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
2151 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
2152 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
2153 GHC will instead pick (C), without complaining about 
2154 the problem of subsequent instantiations.
2155 </para>
2156 <para>
2157 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
2158 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
2159 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
2160 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
2161 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
2162 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
2163 <itemizedlist>
2164 <listitem><para>
2165 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
2166 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
2167 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
2168 more-specific instance does not matter.
2169 </para></listitem>
2170 <listitem><para>
2171 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
2172 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
2173 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
2174 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
2175 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
2176 check for that declaration.
2177 </para></listitem>
2178 </itemizedlist>
2179 All this makes it possible for a library author to design a library that relies on 
2180 overlapping instances without the library client having to know.
2181 </para>
2182 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
2183 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
2184 </para>
2185 </sect3>
2186
2187 <sect3>
2188 <title>Type synonyms in the instance head</title>
2189
2190 <para>
2191 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
2192 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
2193 As always, using a type synonym is just shorthand for
2194 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
2195
2196
2197 <programlisting>
2198   type Point = (Int,Int)
2199   instance C Point   where ...
2200   instance C [Point] where ...
2201 </programlisting>
2202
2203
2204 is legal.  However, if you added
2205
2206
2207 <programlisting>
2208   instance C (Int,Int) where ...
2209 </programlisting>
2210
2211
2212 as well, then the compiler will complain about the overlapping
2213 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
2214 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
2215
2216
2217 <programlisting>
2218   type P a = [[a]]
2219   instance Monad P where ...
2220 </programlisting>
2221
2222
2223 This design decision is independent of all the others, and easily
2224 reversed, but it makes sense to me.
2225
2226 </para>
2227 </sect3>
2228
2229
2230 </sect2>
2231
2232 <sect2 id="type-restrictions">
2233 <title>Type signatures</title>
2234
2235 <sect3><title>The context of a type signature</title>
2236 <para>
2237 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
2238 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
2239 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
2240 these type signatures are perfectly OK
2241 <programlisting>
2242   g :: Eq [a] => ...
2243   g :: Ord (T a ()) => ...
2244 </programlisting>
2245 </para>
2246 <para>
2247 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
2248 Consider the type:
2249
2250 <programlisting>
2251   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
2252 </programlisting>
2253
2254 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
2255 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
2256 explicit source-language type signature are universally quantified,
2257 except for the class type variables in a class declaration.  However,
2258 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
2259 </para>
2260
2261 <para>
2262
2263 <orderedlist>
2264 <listitem>
2265
2266 <para>
2267  <emphasis>Each universally quantified type variable
2268 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
2269
2270 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
2271 in the same constraint as either a type variable free in in
2272 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
2273 A value with a type that does not obey 
2274 this reachability restriction cannot be used without introducing
2275 ambiguity; that is why the type is rejected.
2276 Here, for example, is an illegal type:
2277
2278
2279 <programlisting>
2280   forall a. Eq a => Int
2281 </programlisting>
2282
2283
2284 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
2285 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
2286 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
2287 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
2288 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
2289 get any more information about <literal>tv</literal>.
2290 </para>
2291 <para>
2292 Note
2293 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
2294 functionally dependent on a type variable free in
2295 <literal>type</literal> (see <xref
2296 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
2297 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
2298 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
2299 For example, consider:
2300 <programlisting>
2301   class C a b | a -> b where ...
2302   class C a b => D a b where ...
2303   f :: forall a b. D a b => a -> a
2304 </programlisting>
2305 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2306 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2307 </para>
2308 </listitem>
2309 <listitem>
2310
2311 <para>
2312  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2313 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2314
2315 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2316 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2317
2318
2319 <programlisting>
2320   forall a. C a b => burble
2321 </programlisting>
2322
2323
2324 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2325 mention <literal>a</literal>:
2326
2327
2328 <programlisting>
2329   forall a. Eq b => burble
2330 </programlisting>
2331
2332
2333 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2334 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2335 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2336 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2337 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2338 territory free in case we need it later.
2339
2340 </para>
2341 </listitem>
2342
2343 </orderedlist>
2344
2345 </para>
2346 </sect3>
2347
2348 <sect3 id="hoist">
2349 <title>For-all hoisting</title>
2350 <para>
2351 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
2352 end of an arrow, thus:
2353 <programlisting>
2354   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2355
2356   g :: Int -> Discard Int
2357   g x y z = x+y
2358 </programlisting>
2359 Simply expanding the type synonym would give
2360 <programlisting>
2361   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2362 </programlisting>
2363 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2364 <programlisting>
2365   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2366 </programlisting>
2367 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2368 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2369 performs the transformation:</emphasis>
2370 <programlisting>
2371   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2372 ==>
2373   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2374 </programlisting>
2375 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2376 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2377 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2378 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2379 <programlisting>
2380   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2381 </programlisting>
2382 </para>
2383 <para>
2384 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2385 example:
2386 <programlisting>
2387   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2388   g :: Foo (Foo Int)
2389 </programlisting>
2390 means
2391 <programlisting>
2392   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2393 </programlisting>
2394 </para>
2395 </sect3>
2396
2397
2398 </sect2>
2399
2400 <sect2 id="implicit-parameters">
2401 <title>Implicit parameters</title>
2402
2403 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2404 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2405 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2406 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2407 Boston, Jan 2000.
2408 </para>
2409
2410 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2411 due to Jeff Lewis.)</para>
2412
2413 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2414 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2415
2416 <para>
2417 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2418 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2419 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2420 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2421 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2422 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2423 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2424 only support static scoping of variables.
2425 </para>
2426 <para>
2427 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2428 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2429 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2430 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2431 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2432 of type <literal>t'</literal>". For
2433 example, the following expresses the type of a sort function,
2434 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2435 <programlisting>
2436   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2437 </programlisting>
2438 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2439 </para>
2440 <para>
2441 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2442 where <literal>x</literal> is
2443 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2444 Use of this construct also introduces a new
2445 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2446 For example, the following definition
2447 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2448 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2449 <programlisting>
2450   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2451
2452   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2453   sort    = sortBy ?cmp
2454 </programlisting>
2455 </para>
2456
2457 <sect3>
2458 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2459 <para>
2460 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2461 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2462 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2463 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2464 to pick out the least value in a list:
2465 <programlisting>
2466   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2467   least xs = fst (sort xs)
2468 </programlisting>
2469 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2470 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2471 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2472 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2473 propagate them.
2474 </para>
2475 <para>
2476 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2477 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2478 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2479 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2480 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2481 class constraints.
2482 </para>
2483
2484 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2485 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2486 <programlisting>
2487   class (?x::Int) => C a where ...
2488   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2489 </programlisting>
2490 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2491 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2492 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2493 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2494 <para>
2495 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2496 <programlisting>
2497    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2498    f n = n + length ?x
2499
2500    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2501    g s = show (read s)
2502 </programlisting>
2503 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2504 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2505 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2506 </para>
2507 </sect3>
2508
2509 <sect3>
2510 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2511
2512 <para>
2513 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2514 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2515 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2516 <literal>cmp</literal>.
2517 <programlisting>
2518   min :: [a] -> a
2519   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2520 </programlisting>
2521 </para>
2522 <para>
2523 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2524 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2525 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2526 or a <literal>where</literal> clause.
2527 Note the following points:
2528 <itemizedlist>
2529 <listitem><para>
2530 An implicit-parameter binding group must be a
2531 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2532 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2533 neither polymorphic or recursive.  
2534 </para></listitem>
2535 <listitem><para>
2536 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2537 single <literal>let</literal>
2538 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2539 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2540 </para></listitem>
2541
2542 <listitem><para>
2543 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2544 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2545 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2546 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2547 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2548 the meaning of the program.
2549 For example, consider:
2550 <programlisting>
2551   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2552 </programlisting>
2553 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2554 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2555 <programlisting>
2556   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2557 </programlisting>
2558 </para></listitem>
2559 </itemizedlist>
2560 </para>
2561
2562 </sect3>
2563
2564 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2565
2566 <para>
2567 Consider these two definitions:
2568 <programlisting>
2569   len1 :: [a] -> Int
2570   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2571
2572   len_acc1 [] = ?acc
2573   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2574
2575   ------------
2576
2577   len2 :: [a] -> Int
2578   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2579
2580   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2581   len_acc2 [] = ?acc
2582   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2583 </programlisting>
2584 The only difference between the two groups is that in the second group
2585 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2586 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2587 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2588 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2589 has a type signature, the recursive call is made to the
2590 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2591 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2592 <programlisting>
2593   Prog> len1 "hello"
2594   0
2595   Prog> len2 "hello"
2596   5
2597 </programlisting>
2598 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2599 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2600 </para>
2601 </sect3>
2602
2603 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2604
2605 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2606 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2607 <programlisting>
2608  f :: Int -> Int
2609   f v = let ?x = 0     in
2610         let y = ?x + v in
2611         let ?x = 5     in
2612         y
2613 </programlisting>
2614 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2615 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2616 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2617 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2618 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2619 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2620 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2621 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2622 <literal>14</literal>.
2623 </para>
2624 </sect3>
2625 </sect2>
2626
2627 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2628 <title>Linear implicit parameters</title>
2629 <para>
2630 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2631 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2632 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2633 </para>
2634 <itemizedlist>
2635 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2636 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2637 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2638 </itemizedlist>
2639
2640 <para>
2641 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2642 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2643 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2644 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2645 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2646 </para>
2647 <para>
2648 For example:
2649 <programlisting>
2650     import GHC.Exts( Splittable )
2651
2652     data NameSupply = ...
2653     
2654     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2655     newName :: NameSupply -> Name
2656
2657     instance Splittable NameSupply where
2658         split = splitNS
2659
2660
2661     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2662     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2663                     where
2664                       x'   = newName %ns
2665                       env' = extend env x x'
2666     ...more equations for f...
2667 </programlisting>
2668 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2669 <itemizedlist>
2670 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2671 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2672 </itemizedlist>
2673 </para>
2674 <para>
2675 So the translation done by the type checker makes
2676 the parameter explicit:
2677 <programlisting>
2678     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2679     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2680                        where
2681                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2682                          x' = newName ns2
2683                          env = extend env x x'
2684 </programlisting>
2685 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2686 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2687 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2688 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2689 <programlisting>
2690         class Splittable a where
2691           split :: a -> (a,a)
2692 </programlisting>
2693 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2694 split for name supplies.  But we can simply write
2695 <programlisting>
2696         g x = (x, %ns, %ns)
2697 </programlisting>
2698 and GHC will infer
2699 <programlisting>
2700         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2701 </programlisting>
2702 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2703 <literal>GHC.Exts</literal>.
2704 </para>
2705 <para>
2706 Other points:
2707 <itemizedlist>
2708 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2709 are entirely distinct implicit parameters: you 
2710   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2711 </listitem>
2712
2713 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2714
2715 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2716   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2717 </itemizedlist>
2718 </para>
2719
2720 <sect3><title>Warnings</title>
2721
2722 <para>
2723 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2724 Consider the example above:
2725 <programlisting>
2726     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2727     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2728                     where
2729                       x'   = newName %ns
2730                       env' = extend env x x'
2731 </programlisting>
2732 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2733 usually a harmless thing to do, we get:
2734 <programlisting>
2735     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2736     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2737                     where
2738                       env' = extend env x (newName %ns)
2739 </programlisting>
2740 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2741 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2742 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2743 the beta rule.
2744 </para>
2745 <para>
2746 Well, this is an experimental change.  With implicit
2747 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2748 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2749 Haskell programs without knowing their typing.
2750 </para>
2751
2752 </sect3>
2753
2754 <sect3><title>Recursive functions</title>
2755 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2756 Consider
2757 <programlisting>
2758         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2759         foo 0 = []
2760         foo n = %x : foo (n-1)
2761 </programlisting>
2762 where T is some type in class Splittable.</para>
2763 <para>
2764 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2765 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2766 </para><para>
2767 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2768 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2769 translated term, where the implicit param is made explicit:
2770 <programlisting>
2771         foo x 0 = []
2772         foo x n = let (x1,x2) = split x
2773                   in x1 : foo x2 (n-1)
2774 </programlisting>
2775 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2776 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2777 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2778 work.  So the translation becomes
2779 <programlisting>
2780         foo x = let
2781                   foom 0 = []
2782                   foom n = x : foom (n-1)
2783                 in
2784                 foom
2785 </programlisting>
2786 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2787 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2788 Yikes!
2789 </para><para>
2790 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2791 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2792 </para>
2793 </sect3>
2794
2795 </sect2>
2796
2797 <sect2 id="sec-kinding">
2798 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2799
2800 <para>
2801 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2802 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2803 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2804 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2805 John Hughes had to define the data type:
2806 <screen>
2807      data Set cxt a = Set [a]
2808                     | Unused (cxt a -> ())
2809 </screen>
2810 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2811 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2812 </para>
2813 <para>
2814 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2815 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2816 <itemizedlist>
2817 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2818 <screen>
2819   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2820 </screen></para></listitem>
2821 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2822 <screen>
2823   type T (f :: * -> *) = f Int
2824 </screen></para></listitem>
2825 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2826 <screen>
2827   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2828 </screen></para></listitem>
2829 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2830 <screen>
2831   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2832 </screen></para></listitem>
2833 </itemizedlist>
2834 </para>
2835
2836 <para>
2837 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2838 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2839 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2840 single lexeme in Haskell.
2841 </para>
2842
2843 <para>
2844 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2845 as well.  Thus:
2846 <screen>
2847    f :: (Int :: *) -> Int
2848    g :: forall a. a -> (a :: *)
2849 </screen>
2850 The syntax is
2851 <screen>
2852    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2853 </screen>
2854 The parentheses are required.
2855 </para>
2856 </sect2>
2857
2858
2859 <sect2 id="universal-quantification">
2860 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2861 </title>
2862
2863 <para>
2864 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2865 allows us to say exactly what this means.  For example:
2866 </para>
2867 <para>
2868 <programlisting>
2869         g :: b -> b
2870 </programlisting>
2871 means this:
2872 <programlisting>
2873         g :: forall b. (b -> b)
2874 </programlisting>
2875 The two are treated identically.
2876 </para>
2877
2878 <para>
2879 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2880 explicit universal quantification in
2881 types. 
2882 For example, all the following types are legal:
2883 <programlisting>
2884     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2885     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2886
2887     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2888     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2889
2890     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2891 </programlisting>
2892 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2893 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2894 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2895 is implicitly added by Haskell.
2896 </para>
2897 <para>
2898 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2899 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2900 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2901 </para>
2902 <para>
2903 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2904 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2905 </para>
2906 <para>
2907 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2908 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2909 that restriction has now been lifted.)
2910 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2911 including an operational type class context, is legal:
2912 <itemizedlist>
2913 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2914 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2915 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2916 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2917 field type signatures.</para> </listitem>
2918 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2919 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2920 </itemizedlist>
2921 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2922 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2923 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2924 <programlisting>
2925     x1 :: [forall a. a->a]
2926     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2927     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2928 </programlisting>
2929 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2930 a type variable any more!
2931 </para>
2932
2933
2934 <sect3 id="univ">
2935 <title>Examples
2936 </title>
2937
2938 <para>
2939 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2940 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2941 </para>
2942
2943 <para>
2944
2945 <programlisting>
2946 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2947
2948 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2949                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2950                         }
2951
2952 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2953 </programlisting>
2954
2955 </para>
2956
2957 <para>
2958 The constructors have rank-2 types:
2959 </para>
2960
2961 <para>
2962
2963 <programlisting>
2964 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2965 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2966                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2967                   -> MonadT m
2968 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2969 </programlisting>
2970
2971 </para>
2972
2973 <para>
2974 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2975 explicit context.  For example in the first argument of the
2976 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2977 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2978 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2979 mentioned in the type quantified over.
2980 </para>
2981
2982 <para>
2983 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2984 types too.  So if you write this:
2985
2986 <programlisting>
2987   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2988 </programlisting>
2989
2990 it's just as if you had written this:
2991
2992 <programlisting>
2993   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2994 </programlisting>
2995
2996 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2997 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2998 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2999 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
3000 </para>
3001
3002 <para>
3003 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
3004 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
3005 </para>
3006
3007 <para>
3008
3009 <programlisting>
3010     a1 :: T Int
3011     a1 = T1 (\xy->x) 3
3012     
3013     a2, a3 :: Swizzle
3014     a2 = MkSwizzle sort
3015     a3 = MkSwizzle reverse
3016     
3017     a4 :: MonadT Maybe
3018     a4 = let r x = Just x
3019              b m k = case m of
3020                        Just y -> k y
3021                        Nothing -> Nothing
3022          in
3023          MkMonad r b
3024
3025     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
3026     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
3027 </programlisting>
3028
3029 </para>
3030
3031 <para>
3032 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
3033 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
3034 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
3035 </para>
3036
3037 <para>
3038 When you use pattern matching, the bound variables may now have
3039 polymorphic types.  For example:
3040 </para>
3041
3042 <para>
3043
3044 <programlisting>
3045     f :: T a -> a -> (a, Char)
3046     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3047
3048     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
3049     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
3050
3051     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
3052     h m [] = return m []
3053     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
3054                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
3055                  return m (y:ys)
3056 </programlisting>
3057
3058 </para>
3059
3060 <para>
3061 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
3062 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
3063 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
3064 matching.
3065 </para>
3066 </sect3>
3067
3068 <sect3>
3069 <title>Type inference</title>
3070
3071 <para>
3072 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
3073 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
3074 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
3075 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
3076 </para>
3077 <para>
3078 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
3079 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
3080 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
3081 </para>
3082 <para>
3083 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
3084 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
3085 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
3086 <programlisting>
3087      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
3088 </programlisting>
3089 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
3090 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
3091 <programlisting>
3092      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3093 </programlisting>
3094 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
3095 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
3096 one can give a type signature for the function itself:
3097 <programlisting>
3098      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3099      h f = (f True, f 'c')
3100 </programlisting>
3101 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
3102 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
3103 <programlisting>
3104     f :: T a -> a -> (a, Char)
3105     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3106 </programlisting>
3107 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
3108 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
3109 it needs to know.
3110 </para>
3111
3112 </sect3>
3113
3114
3115 <sect3 id="implicit-quant">
3116 <title>Implicit quantification</title>
3117
3118 <para>
3119 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
3120 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
3121 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
3122 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
3123 equivalent:
3124 <programlisting>
3125   f :: a -> a
3126   f :: forall a. a -> a
3127
3128   g (x::a) = let
3129                 h :: a -> b -> b
3130                 h x y = y
3131              in ...
3132   g (x::a) = let
3133                 h :: forall b. a -> b -> b
3134                 h x y = y
3135              in ...
3136 </programlisting>
3137 </para>
3138 <para>
3139 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
3140 point.  For example:
3141 <programlisting>
3142   f :: (a -> a) -> Int
3143            -- MEANS
3144   f :: forall a. (a -> a) -> Int
3145            -- NOT
3146   f :: (forall a. a -> a) -> Int
3147
3148
3149   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
3150            -- MEANS the illegal type
3151   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
3152            -- NOT
3153   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
3154 </programlisting>
3155 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
3156 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
3157 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
3158 for rank-2 types.
3159 </para>
3160 </sect3>
3161 </sect2>
3162
3163
3164
3165
3166 <sect2 id="scoped-type-variables">
3167 <title>Scoped type variables
3168 </title>
3169
3170 <para>
3171 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
3172 <itemizedlist>
3173 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
3174 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
3175 <listitem><para>A result type signature (<xref linkend="result-type-sigs"/>)</para></listitem>
3176 </itemizedlist>
3177 For example:
3178 <programlisting>
3179 f (xs::[a]) = ys ++ ys
3180            where
3181               ys :: [a]
3182               ys = reverse xs
3183 </programlisting>
3184 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
3185 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
3186 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
3187 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
3188 </para>
3189
3190 <para>
3191 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
3192 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
3193 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
3194 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
3195 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
3196 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
3197 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
3198 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
3199 it becomes possible to do so.
3200 </para>
3201
3202 <para>
3203 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
3204 implementations differ from the specification below, those differences
3205 are noted.
3206 </para>
3207
3208 <para>
3209 So much for the basic idea.  Here are the details.
3210 </para>
3211
3212 <sect3>
3213 <title>What a scoped type variable means</title>
3214 <para>
3215 A lexically-scoped type variable is simply
3216 the name for a type.   The restriction it expresses is that all occurrences
3217 of the same name mean the same type.  For example:
3218 <programlisting>
3219   f :: [Int] -> Int -> Int
3220   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
3221 </programlisting>
3222 The pattern type signatures on the left hand side of
3223 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
3224 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
3225 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
3226 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
3227 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
3228 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
3229 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
3230 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
3231 For example, all of these are legal:</para>
3232
3233 <programlisting>
3234   t (x::a) (y::a) = x+y*2
3235
3236   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
3237
3238   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
3239
3240   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
3241         in k x                  -- environment
3242
3243   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
3244   k (x::Int) False = ...
3245
3246   w :: [b] -> [b]
3247   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
3248 </programlisting>
3249
3250 </sect3>
3251
3252 <sect3>
3253 <title>Scope and implicit quantification</title>
3254
3255 <para>
3256
3257 <itemizedlist>
3258 <listitem>
3259
3260 <para>
3261 All the type variables mentioned in a pattern,
3262 that are not already in scope,
3263 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
3264 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
3265 For example:
3266 <programlisting>
3267   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
3268              in
3269              g (x,True)
3270 </programlisting>
3271 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
3272 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
3273 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
3274 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
3275 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
3276 </para>
3277 </listitem>
3278
3279 <listitem>
3280 <para>
3281 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
3282 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
3283 <programlisting>
3284   let
3285     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
3286     (p::b, q::b) = (1,2)
3287   in &lt;...body of let...>
3288 </programlisting>
3289 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
3290 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
3291 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
3292 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
3293 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
3294 type signatures in the <literal>let</literal> group.
3295 </para>
3296 </listitem>
3297
3298
3299 <listitem>
3300 <para>
3301 The type variables bound by the pattern may be 
3302 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
3303 type signatures anywhere within their scope.
3304
3305 </para>
3306 </listitem>
3307
3308 <listitem>
3309 <para>
3310  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
3311 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
3312
3313 </para>
3314 </listitem>
3315
3316 <listitem>
3317
3318 <para>
3319  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
3320 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
3321
3322 <programlisting>
3323   f :: a -> a
3324   f x = x::a
3325 </programlisting>
3326
3327 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
3328 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
3329 and that is an incorrect typing.
3330
3331 </para>
3332 </listitem>
3333
3334 <listitem>
3335 <para>
3336 The pattern type signature is a monotype:
3337 </para>
3338
3339 <itemizedlist>
3340 <listitem> <para> 
3341 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
3342 </para> </listitem>
3343
3344 <listitem>  <para> 
3345 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
3346 not to type schemes.
3347 </para> </listitem>
3348
3349 <listitem>  <para> 
3350 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
3351 ordinary type signatures).
3352 </para> </listitem>
3353
3354 </itemizedlist>
3355
3356 </listitem>
3357
3358 <listitem>
3359 <para>
3360
3361 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3362 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3363
3364
3365 <programlisting>
3366   class C a where
3367     op :: [a] -> a
3368
3369     op xs = let ys::[a]
3370                 ys = reverse xs
3371             in
3372             head ys
3373 </programlisting>
3374
3375
3376 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
3377 </para>
3378 </listitem>
3379
3380 </itemizedlist>
3381
3382 </para>
3383
3384 </sect3>
3385
3386 <sect3 id="decl-type-sigs">
3387 <title>Declaration type signatures</title>
3388 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3389 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3390 explicitly-quantified
3391 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3392 <programlisting>
3393   f :: forall a. [a] -> [a]
3394   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3395 </programlisting>
3396 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3397 the definition of "<literal>f</literal>".
3398 </para>
3399 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3400 signature is explicit.  For example:
3401 <programlisting>
3402   g :: [a] -> [a]
3403   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3404 </programlisting>
3405 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3406 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3407 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3408 quantification rules.
3409 </para>
3410 </sect3>
3411
3412 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3413 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
3414
3415 <para>
3416 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
3417 <itemizedlist>
3418
3419 <listitem>
3420 <para>
3421 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
3422 just on a variable:
3423
3424
3425 <programlisting>
3426   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
3427 </programlisting>
3428
3429
3430 </para>
3431 </listitem>
3432 <listitem>
3433
3434 <para>
3435  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3436 in lambda abstractions:
3437
3438 <programlisting>
3439   (\ (x::a, y) :: a -> x)
3440 </programlisting>
3441 </para>
3442 </listitem>
3443 <listitem>
3444
3445 <para>
3446  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3447 in <literal>case</literal> expressions:
3448
3449 <programlisting>
3450   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
3451 </programlisting>
3452
3453 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
3454 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
3455 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
3456 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
3457 arrow and give a parse error later.
3458
3459 </para>
3460
3461 </listitem>
3462
3463 <listitem>
3464 <para>
3465 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3466 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3467 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3468 consider how one would parse this:
3469
3470
3471 <programlisting>
3472   \ x :: a -> b -> x
3473 </programlisting>
3474
3475
3476 </para>
3477 </listitem>
3478
3479 <listitem>
3480
3481 <para>
3482  Pattern type signatures can bind existential type variables.
3483 For example:
3484
3485
3486 <programlisting>
3487   data T = forall a. MkT [a]
3488
3489   f :: T -> T
3490   f (MkT [t::a]) = MkT t3
3491                  where
3492                    t3::[a] = [t,t,t]
3493 </programlisting>
3494
3495
3496 </para>
3497 </listitem>
3498
3499
3500 <listitem>
3501
3502 <para>
3503 Pattern type signatures 
3504 can be used in pattern bindings:
3505
3506 <programlisting>
3507   f x = let (y, z::a) = x in ...
3508   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
3509   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
3510   f3 :: (b->b)        = \x -> x
3511 </programlisting>
3512
3513 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
3514 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
3515 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3516 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3517 In contrast, the binding
3518 <programlisting>
3519   f4 :: b->b
3520   f4 = \x -> x
3521 </programlisting>
3522 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3523 in <literal>f4</literal>'s scope.
3524
3525 </para>
3526 </listitem>
3527 </itemizedlist>
3528 </para>
3529 <para>Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
3530 type signatures.  The two can be used independently or together.</para>
3531
3532 </sect3>
3533
3534 <sect3 id="result-type-sigs">
3535 <title>Result type signatures</title>
3536
3537 <para>
3538 The result type of a function can be given a signature, thus:
3539
3540
3541 <programlisting>
3542   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3543 </programlisting>
3544
3545
3546 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3547 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3548 you want:
3549
3550
3551 <programlisting>
3552   f :: Int -> [a] -> [a]
3553   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3554                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3555 </programlisting>
3556
3557 </para>
3558 <para>
3559 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3560 of the definition. However, consider this corner-case:
3561 <programlisting>
3562   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3563
3564   foo ys = rev (ys::[a])
3565 </programlisting>
3566 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3567 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3568 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3569 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3570 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3571 </para>
3572 <para>
3573 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3574 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3575 is polymorphic:
3576 <programlisting>
3577   rev1 :: [b] -> [b]
3578   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3579 </programlisting>
3580 </para>
3581
3582 <para>
3583 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3584 </para>
3585
3586 </sect3>
3587
3588 </sect2>
3589
3590 <sect2 id="deriving-typeable">
3591 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3592
3593 <para>
3594 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3595 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3596 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3597 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3598 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3599 </para>
3600 <para>
3601 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3602 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3603 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3604 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3605 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3606 </para>
3607 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3608 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3609 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3610 described in
3611 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3612 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3613 </ulink>.
3614 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3615 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3616 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3617 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3618 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3619 then writing the data type instance by hand.
3620 </para>
3621 </sect2>
3622
3623 <sect2 id="newtype-deriving">
3624 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3625
3626 <para>
3627 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3628 the new type to inherit some instances from its representation. In
3629 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3630 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3631 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3632 example, if you define
3633
3634 <programlisting> 
3635   newtype Dollars = Dollars Int 
3636 </programlisting> 
3637
3638 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3639 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3640
3641 <programlisting> 
3642   instance Num Dollars where
3643     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3644     ...
3645 </programlisting>
3646 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3647 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3648 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3649 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3650 dictionary, only slower!
3651 </para>
3652
3653
3654 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3655 <para>
3656 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3657 <programlisting> 
3658   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3659 </programlisting> 
3660
3661 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3662 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3663 derives an instance declaration of the form
3664
3665 <programlisting> 
3666   instance Num Int => Num Dollars
3667 </programlisting> 
3668
3669 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3670 </para>
3671 <para>
3672
3673 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3674 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3675 transformers, such that
3676
3677 <programlisting> 
3678   instance Monad m => Monad (State s m) 
3679   instance Monad m => Monad (Failure m)
3680 </programlisting> 
3681 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3682 <programlisting> 
3683   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3684 </programlisting> 
3685
3686 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3687 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3688 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3689
3690 <programlisting> 
3691   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3692                          deriving Monad
3693 </programlisting>
3694 In this case the derived instance declaration is of the form 
3695 <programlisting> 
3696   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3697 </programlisting> 
3698
3699 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3700 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3701 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3702 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3703 declaration.
3704 </para>
3705 <para>
3706
3707 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3708 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3709 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3710 clause. For example, given the class
3711
3712 <programlisting> 
3713   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3714   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3715 </programlisting> 
3716 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3717 <programlisting> 
3718   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3719                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3720 </programlisting>
3721
3722 The derived instance is obtained by completing the application of the
3723 class to the new type:
3724
3725 <programlisting> 
3726   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3727            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3728 </programlisting>
3729 </para>
3730 <para>
3731
3732 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3733  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3734 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3735 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3736 the newtype and its representation.
3737 </para>
3738 </sect3>
3739
3740 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3741 <para>
3742 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3743 declaration (after expansion of any type synonyms)
3744
3745 <programlisting> 
3746   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3747 </programlisting> 
3748
3749 where 
3750  <itemizedlist>
3751 <listitem><para>
3752   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type
3753 </para></listitem>
3754 <listitem><para>
3755   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in 
3756   <literal>t</literal>, and
3757 </para></listitem>
3758 <listitem><para>
3759   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3760   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3761   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3762 </para></listitem>
3763 <listitem><para>
3764   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3765                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3766                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3767                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3768                 via this new mechanism.  
3769 </para></listitem>
3770 </itemizedlist>
3771 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3772 declaration is:
3773 <programlisting> 
3774   instance ci (t vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3775 </programlisting>
3776 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3777 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3778 </para>
3779 <para>
3780
3781 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3782 <programlisting> 
3783   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3784 </programlisting> 
3785 Here we cannot derive the instance 
3786 <programlisting> 
3787   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3788 </programlisting> 
3789
3790 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3791 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3792 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3793 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3794 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3795 </para>
3796 <para>
3797
3798 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3799 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3800 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3801
3802 <programlisting> 
3803   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3804 </programlisting>
3805
3806 then we would not have been able to derive an instance for the
3807 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3808 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3809 instances is most interesting.
3810 </para>
3811 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3812 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3813 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3814 4.3.3. of the Haskell Report).
3815 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3816 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3817 the standard method is used or the one described here.)
3818 </para>
3819 </sect3>
3820
3821 </sect2>
3822
3823 <sect2 id="typing-binds">
3824 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3825
3826 <para>
3827 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3828 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3829 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3830 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3831 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3832 As each group is type-checked, any binders of the group that
3833 have
3834 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3835 polymorphic type,
3836 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3837 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3838 </para>
3839
3840 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3841 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3842 Haskell</ulink>,
3843 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3844 specified:
3845 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3846 type signature</emphasis>.
3847 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3848 typecheck.  For example, consider:
3849 <programlisting>
3850   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3851   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3852   
3853   g y = (y &lt;= y) || f True
3854 </programlisting>
3855 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3856 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3857 <literal>f</literal>,
3858 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3859 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3860 type is generalised, to get
3861 <programlisting>
3862   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3863 </programlisting>
3864 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3865 <literal>g</literal> in the type environment.
3866 </para>
3867
3868 <para>
3869 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3870 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3871 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3872 <option>-fglasgow-exts</option>
3873 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3874 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3875 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3876 <programlisting>
3877   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3878   f x = (x == x) || g True
3879   
3880   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3881   g y = (y &lt;= y) || f True
3882 </programlisting>
3883 </para>
3884 </sect2>
3885
3886 </sect1>
3887 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3888   
3889 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3890
3891 <sect1 id="gadt">
3892 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3893
3894 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3895 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3896 <programlisting>
3897   data Term a where
3898       Lit    :: Int -> Term Int
3899       Succ   :: Term Int -> Term Int
3900       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3901       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3902       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3903 </programlisting>
3904 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3905 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3906 for these <literal>Terms</literal>:
3907 <programlisting>
3908   eval :: Term a -> a
3909   eval (Lit i)      = i
3910   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3911   eval (IsZero t)   = eval t == 0
3912   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3913   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
3914 </programlisting>
3915 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3916 </para>
3917 <para> The extensions to GHC are these:
3918 <itemizedlist>
3919 <listitem><para>
3920   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3921 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3922 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3923 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3924 <programlisting>
3925   data Term :: * -> * where ...
3926 </programlisting>
3927 or even a mixture of the two:
3928 <programlisting>
3929   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3930 </programlisting>
3931 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3932 like this:
3933 <programlisting>
3934   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3935 </programlisting>
3936 </para></listitem>
3937
3938 <listitem><para>
3939 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3940 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3941 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3942 </para></listitem>
3943
3944 <listitem><para>
3945 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
3946
3947 <programlisting>
3948   data Term a where
3949       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
3950       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
3951       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
3952       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
3953       Pair   { arg1 :: Term a
3954              , arg2 :: Term b
3955              }                    :: Term (a,b)
3956       If     { cnd  :: Term Bool
3957              , tru  :: Term a
3958              , fls  :: Term a
3959              }                    :: Term a
3960 </programlisting>
3961 For every constructor that has a field <literal>f</literal>, (a) the type of
3962 field <literal>f</literal> must be the same; and (b) the
3963 result type of the constructor must be the same; both modulo alpha conversion.
3964 Hence, in our example, we cannot merge the <literal>num</literal> and <literal>arg</literal>
3965 fields above into a 
3966 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
3967 their selector functions actually have different types:
3968
3969 <programlisting>
3970   num :: Term Int -> Term Int
3971   arg :: Term Bool -> Term Int
3972 </programlisting>
3973
3974 At the moment, record updates are not yet possible with GADT, so support is 
3975 limited to record construction, selection and pattern matching:
3976
3977 <programlisting>
3978   someTerm :: Term Bool
3979   someTerm = IsZero { arg = Succ { num = Lit { val = 0 } } }
3980
3981   eval :: Term a -> a
3982   eval Lit    { val = i } = i
3983   eval Succ   { num = t } = eval t + 1
3984   eval Pred   { num = t } = eval t - 1
3985   eval IsZero { arg = t } = eval t == 0
3986   eval Pair   { arg1 = t1, arg2 = t2 } = (eval t1, eval t2)
3987   eval t@If{} = if eval (cnd t) then eval (tru t) else eval (fls t)
3988 </programlisting>
3989
3990 </para></listitem>
3991
3992 <listitem><para>
3993 You can use strictness annotations, in the obvious places
3994 in the constructor type:
3995 <programlisting>
3996   data Term a where
3997       Lit    :: !Int -> Term Int
3998       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3999       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
4000 </programlisting>
4001 </para></listitem>
4002
4003 <listitem><para>
4004 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
4005 declaration, but only if the data type could also have been declared in
4006 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
4007 <programlisting>
4008   data Maybe1 a where {
4009       Nothing1 :: Maybe a ;
4010       Just1    :: a -> Maybe a
4011     } deriving( Eq, Ord )
4012
4013   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
4014        deriving( Eq, Ord )
4015 </programlisting>
4016 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
4017 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
4018 </para></listitem>
4019
4020 <listitem><para>
4021 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
4022 <programlisting>
4023   eval :: Term a -> a
4024   eval (Lit i) =  ...
4025 </programlisting>
4026 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
4027 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
4028 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
4029
4030 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
4031 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
4032 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
4033 <programlisting>
4034   eval :: Term a -> a -> a
4035   eval (Lit i) j =  i+j
4036 </programlisting>
4037 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
4038 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
4039 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
4040 </para>
4041 </listitem>
4042 </itemizedlist>
4043 </para>
4044
4045 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
4046 <programlisting>
4047   data T a = forall b. MkT b (b->a)
4048   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
4049 </programlisting>
4050 </para>
4051 </sect1>
4052
4053 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
4054
4055 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
4056
4057 <sect1 id="template-haskell">
4058 <title>Template Haskell</title>
4059
4060 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
4061 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
4062 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
4063 the background to
4064 the main technical innovations is discussed in "<ulink
4065 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
4066 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
4067 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
4068 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
4069 (search for the type ExpQ).
4070 [Temporary: many changes to the original design are described in 
4071       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
4072 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
4073 </para>
4074
4075 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
4076 </para>
4077
4078 <para>
4079 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
4080 Tim Sheard is going to expand it.)
4081 </para>
4082
4083     <sect2>
4084       <title>Syntax</title>
4085
4086       <para> Template Haskell has the following new syntactic
4087       constructions.  You need to use the flag
4088       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
4089       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
4090       (<option>-fth</option> is no longer implied by
4091       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
4092
4093         <itemizedlist>
4094               <listitem><para>
4095                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
4096                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
4097                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
4098                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
4099                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
4100                   </para>
4101               <para> A splice can occur in place of 
4102                   <itemizedlist>
4103                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
4104                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
4105                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
4106                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
4107                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
4108                     </itemizedlist>
4109            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
4110         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
4111         as in the paper.)
4112                 </para></listitem>
4113
4114
4115               <listitem><para>
4116                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
4117                   <itemizedlist>
4118                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
4119                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
4120                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
4121                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
4122                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
4123                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
4124                   </itemizedlist></para></listitem>
4125
4126               <listitem><para>
4127                   Reification is written thus:
4128                   <itemizedlist>
4129                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
4130                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
4131                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
4132                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
4133                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
4134                     
4135                   </itemizedlist></para>
4136                 </listitem>
4137
4138                   
4139         </itemizedlist>
4140 </sect2>
4141
4142 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
4143 <para>
4144 <itemizedlist>
4145     <listitem><para>
4146     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
4147     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
4148     </para></listitem>
4149
4150     <listitem><para>
4151     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
4152             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
4153             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
4154    </para></listitem>
4155
4156     <listitem><para>
4157             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
4158    </para></listitem>
4159     <listitem><para>
4160             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
4161               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
4162               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
4163               the program it compiles produces results whose representations are identical to
4164               those of the compiler itself.
4165    </para></listitem>
4166 </itemizedlist>
4167 </para>
4168 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
4169         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
4170         has been lifted.
4171 </para>
4172 </sect2>
4173  
4174 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
4175 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
4176   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
4177
4178 <programlisting>
4179
4180 {- Main.hs -}
4181 module Main where
4182
4183 -- Import our template "pr"
4184 import Printf ( pr )
4185
4186 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
4187 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
4188 -- the argument of "putStrLn".
4189 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
4190
4191
4192 {- Printf.hs -}
4193 module Printf where
4194
4195 -- Skeletal printf from the paper.
4196 -- It needs to be in a separate module to the one where
4197 -- you intend to use it.
4198
4199 -- Import some Template Haskell syntax
4200 import Language.Haskell.TH
4201
4202 -- Describe a format string
4203 data Format = D | S | L String
4204
4205 -- Parse a format string.  This is left largely to you
4206 -- as we are here interested in building our first ever
4207 -- Template Haskell program and not in building printf.
4208 parse :: String -> [Format]
4209 parse s   = [ L s ]
4210
4211 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
4212 -- of the format string.  This code will be spliced into
4213 -- the module which calls "pr", at compile time.
4214 gen :: [Format] -> ExpQ
4215 gen [D]   = [| \n -> show n |]
4216 gen [S]   = [| \s -> s |]
4217 gen [L s] = stringE s
4218
4219 -- Here we generate the Haskell code for the splice
4220 -- from an input format string.
4221 pr :: String -> ExpQ
4222 pr s      = gen (parse s)
4223 </programlisting>
4224
4225 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
4226 </para>
4227 <programlisting>
4228 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
4229 </programlisting>
4230
4231 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
4232
4233 <programlisting>
4234 $ ./main
4235 Hello
4236 </programlisting>
4237
4238 </sect2>
4239  
4240 </sect1>
4241
4242 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
4243
4244 <sect1 id="arrow-notation">
4245 <title>Arrow notation
4246 </title>
4247
4248 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
4249 For more details, see
4250 <itemizedlist>
4251
4252 <listitem>
4253 <para>
4254 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
4255 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
4256 pp67&ndash;111, May 2000.
4257 </para>
4258 </listitem>
4259
4260 <listitem>
4261 <para>
4262 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
4263 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
4264 </para>
4265 </listitem>
4266
4267 <listitem>
4268 <para>
4269 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
4270 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
4271 Palgrave, 2003.
4272 </para>
4273 </listitem>
4274
4275 </itemizedlist>
4276 and the arrows web page at
4277 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
4278 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
4279 notation described in the second of these papers.
4280 What follows is a brief introduction to the notation;
4281 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
4282 This notation is translated to ordinary Haskell,
4283 using combinators from the
4284 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4285 module.
4286 </para>
4287
4288 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
4289 <screen>
4290 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
4291        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4292 </screen>
4293 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
4294 The variables of the pattern are bound in the body of the 
4295 <literal>proc</literal>-expression,
4296 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
4297 The syntax of commands is as follows:
4298 <screen>
4299 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
4300        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4301        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4302 </screen>
4303 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4304 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4305 infix operators as for expressions, and
4306 <screen>
4307 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4308        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4309        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4310        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4311        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4312        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4313
4314 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4315        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4316        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4317
4318 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4319        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4320        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4321        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4322 </screen>
4323 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4324 except that the bodies are commands instead of expressions.
4325 </para>
4326
4327 <para>
4328 Commands produce values, but (like monadic computations)
4329 may yield more than one value,
4330 or none, and may do other things as well.
4331 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4332 using commands.
4333 However the values of expressions, even monadic ones,
4334 are determined by the values of the variables they contain;
4335 this is not necessarily the case for commands.
4336 </para>
4337
4338 <para>
4339 A simple example of the new notation is the expression
4340 <screen>
4341 proc x -> f -&lt; x+1
4342 </screen>
4343 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4344 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4345 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4346 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4347 It refers to the input to the arrow.
4348 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4349 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4350 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4351 (The weird look will make more sense later.)
4352 It may be read as analogue of application for arrows.
4353 The above example is equivalent to the Haskell expression
4354 <screen>
4355 arr (\ x -> x+1) >>> f
4356 </screen>
4357 That would make no sense if the expression to the left of
4358 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4359 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4360 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4361 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4362 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4363 <screen>
4364 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4365 </screen>
4366 which is equivalent to
4367 <screen>
4368 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4369 </screen>
4370 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4371 class.
4372 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4373 you may find a monadic formulation more convenient.
4374 </para>
4375
4376 <sect2>
4377 <title>do-notation for commands</title>
4378
4379 <para>
4380 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4381 For example, you can write
4382 <screen>
4383 proc x -> do
4384         y &lt;- f -&lt; x+1
4385         g -&lt; 2*y
4386         let z = x+y
4387         t &lt;- h -&lt; x*z
4388         returnA -&lt; t+z
4389 </screen>
4390 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4391 but with commands in place of monadic expressions.
4392 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4393 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4394 <literal>y</literal>.
4395 In the next line, the output is discarded.
4396 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4397 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4398 module as <literal>arr id</literal>.
4399 The above example is treated as an abbreviation for
4400 <screen>
4401 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4402         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4403         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4404         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4405         arr snd >>>
4406         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4407         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4408         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4409         returnA
4410 </screen>
4411 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4412 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4413 defined in the
4414 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4415 module, this reduces to
4416 <screen>
4417 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4418         first f >>>
4419         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4420         first g >>>
4421         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4422         first h >>>
4423         arr (\ (t, z) -> t+z)
4424 </screen>
4425 which is what you might have written by hand.
4426 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4427 </para>
4428
4429 <para>
4430 Note that although the above translation suggests that
4431 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4432 monomorphic, the actual translation produces Core,
4433 so polymorphic variables are allowed.
4434 </para>
4435
4436 <para>
4437 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4438 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4439 <programlisting>
4440 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4441 counter = proc reset -> do
4442         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4443                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4444         returnA -&lt; output
4445 </programlisting>
4446 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4447 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4448 </para>
4449
4450 </sect2>
4451
4452 <sect2>
4453 <title>Conditional commands</title>
4454
4455 <para>
4456 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4457 input for an arrow.
4458 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4459 <screen>
4460 proc (x,y) ->
4461         if f x y
4462         then g -&lt; x+1
4463         else h -&lt; y+2
4464 </screen>
4465 which is translated to
4466 <screen>
4467 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4468         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4469 </screen>
4470 Since the translation uses <function>|||</function>,
4471 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4472 </para>
4473
4474 <para>
4475 There are also <literal>case</literal> commands, like
4476 <screen>
4477 case input of
4478     [] -> f -&lt; ()
4479     [x] -> g -&lt; x+1
4480     x1:x2:xs -> do
4481         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4482         ys &lt;- k -&lt; xs
4483         returnA -&lt; y:ys
4484 </screen>
4485 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4486 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4487 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4488 </para>
4489
4490 </sect2>
4491
4492 <sect2>
4493 <title>Defining your own control structures</title>
4494
4495 <para>
4496 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4497 modelled on those for expressions,
4498 for sequencing, value recursion and conditionals.
4499 But suitable combinators,
4500 which you can define in ordinary Haskell,
4501 may also be used to build new commands out of existing ones.
4502 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4503 These environments assign values to the free local variables of the command.
4504 Thus combinators that produce arrows from arrows
4505 may also be used to build commands from commands.
4506 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4507 <programlisting>
4508 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4509 </programlisting>
4510 so we can use it to build commands:
4511 <programlisting>
4512 expr' = proc x -> do
4513                 returnA -&lt; x
4514         &lt;+> do
4515                 symbol Plus -&lt; ()
4516                 y &lt;- term -&lt; ()
4517                 expr' -&lt; x + y
4518         &lt;+> do
4519                 symbol Minus -&lt; ()
4520                 y &lt;- term -&lt; ()
4521                 expr' -&lt; x - y
4522 </programlisting>
4523 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4524 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4525 expression on the previous line.)
4526 This is equivalent to
4527 <programlisting>
4528 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4529         &lt;+> (proc x -> do
4530                 symbol Plus -&lt; ()
4531                 y &lt;- term -&lt; ()
4532                 expr' -&lt; x + y)
4533         &lt;+> (proc x -> do
4534                 symbol Minus -&lt; ()
4535                 y &lt;- term -&lt; ()
4536                 expr' -&lt; x - y)
4537 </programlisting>
4538 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4539 (representing the environment input to the command
4540 and thence to its subcommands)
4541 and satisfy the corresponding naturality property
4542 <screen>
4543 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4544 </screen>
4545 at least for strict <literal>k</literal>.
4546 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4547 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4548 of the whole command,
4549 and also allows the translation to safely trim these environments.
4550 The operator must also not use any variable defined within the current
4551 arrow abstraction.
4552 </para>
4553
4554 <para>
4555 We could define our own operator
4556 <programlisting>
4557 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4558 untilA body cond = proc x ->
4559         if cond x then returnA -&lt; ()
4560         else do
4561                 body -&lt; x
4562                 untilA body cond -&lt; x
4563 </programlisting>
4564 and use it in the same way.
4565 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4566 there is also a more general syntax involving special brackets:
4567 <screen>
4568 proc x -> do
4569         y &lt;- f -&lt; x+1
4570         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4571 </screen>
4572 </para>
4573
4574 </sect2>
4575
4576 <sect2>
4577 <title>Primitive constructs</title>
4578
4579 <para>
4580 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4581 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4582 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4583 exception that occurred to the handler.
4584 Such an operator might have a type
4585 <screen>
4586 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4587 </screen>
4588 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4589 You could then use this with arrow notation by writing a command
4590 <screen>
4591 body `handleA` \ ex -> handler
4592 </screen>
4593 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4594 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4595 and the command <literal>handler</literal>,
4596 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4597 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4598 we are talking about commands, and something different is going on.
4599 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4600 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4601 In all the prior examples, this stack was empty.
4602 In the second argument to <function>handleA</function>,
4603 this stack consists of one value, the value of the exception.
4604 The command form of lambda merely gives this value a name.
4605 </para>
4606
4607 <para>
4608 More concretely,
4609 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4610 So operators like <function>handleA</function> that pass
4611 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4612 by pairing the values with the environment in this way.
4613 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4614 should have the form
4615 <screen>
4616 a (...(e,t1), ... tn) t
4617 </screen>
4618 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4619 (representing the environment)
4620 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4621 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4622 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4623 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4624 <replaceable>t</replaceable>.
4625 However the arrows involved need not be the same.
4626 Here are some more examples of suitable operators:
4627 <screen>
4628 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4629 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4630 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4631 </screen>
4632 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4633 by applying them to ordinary expressions, as in
4634 <screen>
4635 proc x -> do
4636         s &lt;- ...
4637         (|runReader (do { ... })|) s
4638 </screen>
4639 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4640 built using <function>runReader</function>.
4641 </para>
4642
4643 <para>
4644 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4645 the expression versions.
4646 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4647 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4648 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4649 though the results would be somewhat clumsy.
4650 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4651 <programlisting>
4652 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4653 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4654
4655 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4656 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4657 </programlisting>
4658 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4659 <programlisting>
4660 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4661 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4662 </programlisting>
4663 </para>
4664
4665 </sect2>
4666
4667 <sect2>
4668 <title>Differences with the paper</title>
4669
4670 <itemizedlist>
4671
4672 <listitem>
4673 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4674 translations, the implementation provides two forms
4675 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4676 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4677 </para>
4678 </listitem>
4679
4680 <listitem>
4681 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4682 a new <literal>form</literal> keyword.
4683 </para>
4684 </listitem>
4685
4686 </itemizedlist>
4687
4688 </sect2>
4689
4690 <sect2>
4691 <title>Portability</title>
4692
4693 <para>
4694 Although only GHC implements arrow notation directly,
4695 there is also a preprocessor
4696 (available from the 
4697 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4698 that translates arrow notation into Haskell 98
4699 for use with other Haskell systems.
4700 You would still want to check arrow programs with GHC;
4701 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4702 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4703 additional restrictions:
4704 <itemizedlist>
4705
4706 <listitem>
4707 <para>
4708 The module must import
4709 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4710 </para>
4711 </listitem>
4712
4713 <listitem>
4714 <para>
4715 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4716 These would have to go in separate modules.
4717 </para>
4718 </listitem>
4719
4720 <listitem>
4721 <para>
4722 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4723 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4724 </para>
4725 </listitem>
4726
4727 </itemizedlist>
4728 </para>
4729
4730 </sect2>
4731
4732 </sect1>
4733
4734 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4735
4736 <sect1 id="sec-assertions">
4737 <title>Assertions
4738 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4739 </title>
4740
4741 <para>
4742 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4743 could define a function like the following:
4744 </para>
4745
4746 <para>
4747
4748 <programlisting>
4749 assert :: Bool -> a -> a
4750 assert False x = error "assertion failed!"
4751 assert _     x = x
4752 </programlisting>
4753
4754 </para>
4755
4756 <para>
4757 which works, but gives you back a less than useful error message --
4758 an assertion failed, but which and where?
4759 </para>
4760
4761 <para>
4762 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4763 takes a descriptive string to include in the error message and
4764 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4765 the source location where <function>assert</function> was used.
4766 </para>
4767
4768 <para>
4769 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4770 use of <function>assert</function> in the user's source:
4771 </para>
4772
4773 <para>
4774
4775 <programlisting>
4776 kelvinToC :: Double -> Double
4777 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4778 </programlisting>
4779
4780 </para>
4781
4782 <para>
4783 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4784 assertion was made,
4785 </para>
4786
4787 <para>
4788
4789 <programlisting>
4790 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4791 </programlisting>
4792
4793 </para>
4794
4795 <para>
4796 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4797 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4798 can still define and use your own versions of
4799 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4800 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4801 <function>assert</function> in your code.
4802 </para>
4803
4804 <para>
4805 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
4806       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
4807 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4808 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
4809       <option>-fignore-asserts</option>
4810       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
4811       </indexterm>.</para>
4812
4813 <para>
4814 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4815 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4816 </para>
4817
4818 </sect1>
4819
4820
4821 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4822
4823   <sect1 id="pragmas">
4824     <title>Pragmas</title>
4825
4826     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4827
4828     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4829     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4830     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4831     of the generated code.</para>
4832
4833     <para>Pragmas all take the form
4834
4835 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4836
4837     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4838     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4839     type of pragma.  Case is ignored in
4840     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4841     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4842     in the following sections; any pragma encountered with an
4843     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4844     ignored.</para>
4845
4846     <sect2 id="deprecated-pragma">
4847       <title>DEPRECATED pragma</title>
4848       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4849       </indexterm>
4850
4851       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4852       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4853       forms.
4854
4855       <itemizedlist>
4856         <listitem>
4857           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4858 <programlisting>
4859    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4860      ...
4861 </programlisting>
4862           <para>When you compile any module that import
4863           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4864           message.</para>
4865         </listitem>
4866
4867         <listitem>
4868           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
4869           following top-level declaration:</para>
4870 <programlisting>
4871    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4872 </programlisting>
4873           <para>When you compile any module that imports and uses any
4874           of the specified entities, GHC will print the specified
4875           message.</para>
4876           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
4877           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
4878           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
4879           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
4880           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
4881           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
4882           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
4883         </listitem>
4884       </itemizedlist>
4885       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4886       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4887       deprecations are not reported for
4888       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4889       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4890       The latter reduces spurious complaints within a library
4891       in which one module gathers together and re-exports 
4892       the exports of several others.
4893       </para>
4894       <para>You can suppress the warnings with the flag
4895       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4896     </sect2>
4897
4898     <sect2 id="include-pragma">
4899       <title>INCLUDE pragma</title>
4900
4901       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4902         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4903         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4904         compiling via C).  For example:</para>
4905
4906 <programlisting>
4907 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4908 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4909
4910       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4911         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4912         pragma(s).</para>
4913
4914       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4915         to the <option>-#include</option> option (<xref
4916           linkend="options-C-compiler" />), because the
4917         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4918         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4919         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4920         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4921     </sect2>
4922
4923     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4924       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4925
4926       <para>These pragmas control the inlining of function
4927       definitions.</para>
4928
4929       <sect3 id="inline-pragma">
4930         <title>INLINE pragma</title>
4931         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4932
4933         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4934         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4935         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4936         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4937         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4938         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4939         export that unfolding for other modules to use.</para>
4940
4941         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4942         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4943         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4944
4945 <programlisting>
4946 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4947
4948 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4949 {-# INLINE key_function #-}
4950 #endif
4951 </programlisting>
4952
4953         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4954         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4955         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4956
4957         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4958         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4959         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4960         inline it.</para>
4961
4962         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4963         function can be put anywhere its type signature could be
4964         put.</para>
4965
4966         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4967         good idea for the
4968         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4969         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4970         a monad.  For example, in GHC's own
4971         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4972
4973 <programlisting>
4974 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4975 {-# INLINE thenUs #-}
4976 {-# INLINE returnUs #-}
4977 #endif
4978 </programlisting>
4979
4980         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4981         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4982       </sect3>
4983
4984       <sect3 id="noinline-pragma">
4985         <title>NOINLINE pragma</title>
4986         
4987         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4988         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4989
4990         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4991         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4992         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4993         you're very cautious about code size.</para>
4994
4995         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4996         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4997         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4998         inlining, so it should be used if you want your code to be
4999         portable).</para>
5000       </sect3>
5001
5002       <sect3 id="phase-control">
5003         <title>Phase control</title>
5004
5005         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
5006         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
5007         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
5008         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
5009         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
5010         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
5011         sequence of phase numbers for successive runs of the
5012         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
5013         phase number, thus:
5014         <itemizedlist>
5015           <listitem>
5016             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5017             <literal>f</literal>
5018               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5019               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
5020             </para></listitem>
5021           <listitem>
5022             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
5023             <literal>f</literal>
5024               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5025               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5026             </para></listitem>
5027           <listitem>
5028             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5029             <literal>f</literal>
5030               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5031               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
5032               there was no pragma).
5033             </para></listitem>
5034             <listitem>
5035             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
5036             <literal>f</literal>
5037               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5038               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5039             </para></listitem>
5040         </itemizedlist>
5041 The same information is summarised here:
5042 <programlisting>
5043                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
5044   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
5045   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
5046   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
5047   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
5048
5049   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
5050   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
5051 </programlisting>
5052 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
5053 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
5054 Another way to understand the semantics is this:
5055 <itemizedlist>
5056 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
5057 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
5058 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
5059 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
5060 happen.
5061 </para></listitem>
5062 </itemizedlist>
5063 </para>
5064 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
5065         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
5066       </sect3>
5067     </sect2>
5068
5069     <sect2 id="language-pragma">
5070       <title>LANGUAGE pragma</title>
5071
5072       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5073       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
5074
5075       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
5076         It is the intention that all Haskell compilers support the
5077         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
5078         all extensions are supported by all compilers, of
5079         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
5080         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
5081
5082       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
5083
5084 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
5085
5086       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
5087         <ulink
5088           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink> may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
5089     </sect2>
5090
5091
5092     <sect2 id="line-pragma">
5093       <title>LINE pragma</title>
5094
5095       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5096       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
5097       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
5098       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
5099       code.  It lets you specify the line number and filename of the
5100       original code; for example</para>
5101
5102 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
5103
5104       <para>if you'd generated the current file from something called
5105       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
5106       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
5107       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
5108       pragma.</para>
5109     </sect2>
5110
5111     <sect2 id="options-pragma">
5112       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
5113       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
5114       </indexterm>
5115       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
5116       </indexterm>
5117
5118       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
5119       additional options that are given to the compiler when compiling
5120       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
5121       details.</para>
5122
5123       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
5124         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
5125     </sect2>
5126
5127     <sect2 id="rules">
5128       <title>RULES pragma</title>
5129
5130       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
5131       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
5132     </sect2>
5133
5134     <sect2 id="specialize-pragma">
5135       <title>SPECIALIZE pragma</title>
5136
5137       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5138       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
5139       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5140
5141       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
5142       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
5143       specialised to particular types.  Thus, if you have an
5144       overloaded function:</para>
5145
5146 <programlisting>
5147   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
5148 </programlisting>
5149
5150       <para>If it is heavily used on lists with
5151       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
5152       follows:</para>
5153
5154 <programlisting>
5155   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
5156 </programlisting>
5157
5158       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
5159       be put anywhere its type signature could be put.</para>
5160
5161       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
5162       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
5163       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
5164       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
5165
5166       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
5167         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
5168         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
5169 <programlisting>
5170   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
5171 </programlisting>
5172       is valid if and only if the defintion
5173 <programlisting>
5174   f_spec :: &lt;type&gt;
5175   f_spec = f
5176 </programlisting>
5177       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
5178       for the original function, not its code):
5179 <programlisting>
5180   f :: Eq a => a -> b -> b
5181   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
5182
5183   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
5184   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
5185
5186   h :: Eq a => a -> a -> a
5187   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
5188 </programlisting>  
5189 The last of these examples will generate a 
5190 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
5191 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
5192 </para>
5193
5194 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
5195 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
5196 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
5197 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised verison of the
5198 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
5199 example is this:
5200 <programlisting>
5201 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
5202 data Arr e where
5203   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
5204   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
5205
5206 (!:) :: Arr e -> Int -> e
5207 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
5208 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
5209 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
5210 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
5211 </programlisting>
5212 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
5213 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
5214 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
5215 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
5216 <literal>(!:)</literal>,
5217 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
5218 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
5219 unrolling of the indexing function.</para>
5220 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
5221 on an ordinarily-recursive function.</para>
5222
5223       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
5224       specialised function for a given type:
5225
5226 <programlisting>
5227 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
5228 </programlisting>
5229
5230       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
5231       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
5232
5233     </sect2>
5234
5235 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
5236 <title>SPECIALIZE instance pragma
5237 </title>
5238
5239 <para>
5240 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5241 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5242 Same idea, except for instance declarations.  For example:
5243
5244 <programlisting>
5245 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
5246    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
5247    ... usual stuff ...
5248  }
5249 </programlisting>
5250 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
5251 of the instance declaration.
5252 </para>
5253 <para>
5254 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
5255 of the pragma.
5256 </para>
5257
5258 </sect2>
5259
5260     <sect2 id="unpack-pragma">
5261       <title>UNPACK pragma</title>
5262
5263       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
5264       
5265       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
5266       that it should unpack the contents of a constructor field into
5267       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
5268       example:</para>
5269
5270 <programlisting>
5271 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
5272            {-# UNPACK #-} !Float
5273 </programlisting>
5274
5275       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
5276       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
5277       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
5278       floats passed to a non-strict function for example, they will
5279       have to be reboxed (this is done automatically by the
5280       compiler).</para>
5281
5282       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
5283       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
5284       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
5285       often as possible.  For example:</para>
5286
5287 <programlisting>
5288 f :: T -&#62; Float
5289 f (T f1 f2) = f1 + f2
5290 </programlisting>
5291
5292       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
5293       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
5294       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
5295
5296       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
5297       example</para>
5298
5299 <programlisting>
5300 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
5301 </programlisting>
5302
5303       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
5304       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5305       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5306
5307 <programlisting>
5308 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5309 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5310 </programlisting>
5311
5312       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5313       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5314       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5315
5316       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5317       so it might be an idea to check the generated code with
5318       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5319
5320       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5321       which essentially has the effect of adding
5322       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5323       constructor field.</para>
5324     </sect2>
5325
5326 </sect1>
5327
5328 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5329
5330 <sect1 id="rewrite-rules">
5331 <title>Rewrite rules
5332
5333 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5334 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5335 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5336
5337 <para>
5338 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5339 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5340 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5341 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5342 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
5343 </para>
5344
5345 <para>
5346 Here is an example:
5347
5348 <programlisting>
5349   {-# RULES
5350         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5351   #-}
5352 </programlisting>
5353
5354 </para>
5355
5356 <sect2>
5357 <title>Syntax</title>
5358
5359 <para>
5360 From a syntactic point of view:
5361
5362 <itemizedlist>
5363 <listitem>
5364
5365 <para>
5366  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5367 </para>
5368 </listitem>
5369
5370 <listitem>
5371
5372 <para>
5373  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5374 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5375 </para>
5376 </listitem>
5377
5378 <listitem>
5379 <para>
5380 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5381 immediately after the name of the rule.  Thus:
5382 <programlisting>
5383   {-# RULES
5384         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5385   #-}
5386 </programlisting>
5387 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5388 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5389 Phase 2.
5390 </para>
5391 </listitem>
5392
5393
5394 <listitem>
5395
5396 <para>
5397  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5398 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5399 enclosing definitions.
5400 </para>
5401 </listitem>
5402
5403 <listitem>
5404
5405 <para>
5406  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5407 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5408 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5409 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5410 </para>
5411 </listitem>
5412 <listitem>
5413
5414 <para>
5415  A pattern variable may optionally have a type signature.
5416 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5417 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5418
5419 <programlisting>
5420 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5421               foldr k z (build g) = g k z
5422 </programlisting>
5423
5424 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5425
5426 </para>
5427 </listitem>
5428 <listitem>
5429
5430 <para>
5431 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5432 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5433
5434 <programlisting>
5435 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5436 "wrong2"   forall f.      f True = True
5437 </programlisting>
5438
5439 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5440 in the head.
5441 </para>
5442 </listitem>
5443 <listitem>
5444
5445 <para>
5446  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5447 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5448 </para>
5449 </listitem>
5450 <listitem>
5451
5452 <para>
5453  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5454 </para>
5455 </listitem>
5456
5457 </itemizedlist>
5458
5459 </para>
5460
5461 </sect2>
5462
5463 <sect2>
5464 <title>Semantics</title>
5465
5466 <para>
5467 From a semantic point of view:
5468
5469 <itemizedlist>
5470 <listitem>
5471
5472 <para>
5473 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5474 </para>
5475 </listitem>
5476
5477 <listitem>
5478 <para>
5479  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5480 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5481 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5482 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5483 expression by substituting for the pattern variables.
5484
5485 </para>
5486 </listitem>
5487 <listitem>
5488
5489 <para>
5490  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5491 same type.
5492
5493 </para>
5494 </listitem>
5495 <listitem>
5496
5497 <para>
5498  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5499 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5500 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5501
5502 </para>
5503 </listitem>
5504 <listitem>
5505
5506 <para>
5507  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5508 terminating.  For example:
5509
5510 <programlisting>
5511   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5512 </programlisting>
5513
5514 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5515
5516 </para>
5517 </listitem>
5518 <listitem>
5519
5520 <para>
5521  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5522
5523 </para>
5524 </listitem>
5525 <listitem>
5526 <para>
5527  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5528 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5529 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5530 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5531 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5532 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5533 </para>
5534
5535 <para>
5536 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5537 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5538 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5539 </para>
5540 </listitem>
5541 <listitem>
5542
5543 <para>
5544  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5545 For example, consider:
5546
5547 <programlisting>
5548   let s = map f
5549       t = map g
5550   in
5551   s (t xs)
5552 </programlisting>
5553
5554 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5555 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5556 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5557 not be substituted, and the rule would not fire.
5558
5559 </para>
5560 </listitem>
5561 <listitem>
5562
5563 <para>
5564  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5565 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5566 for something you can't match against it (given the simple minded
5567 matching).  So if you write the rule
5568
5569 <programlisting>
5570         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5571 </programlisting>
5572
5573 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5574 It will only match something written with explicit use of ".".
5575 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5576
5577 <programlisting>
5578 wibble f g xs
5579 </programlisting>
5580
5581 where <function>wibble</function> is defined:
5582
5583 <programlisting>
5584 wibble f g = map f . map g
5585 </programlisting>
5586
5587 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5588
5589 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5590 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5591 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5592
5593 </para>
5594 </listitem>
5595 <listitem>
5596
5597 <para>
5598  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5599 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5600 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5601 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5602 declarations.
5603 </para>
5604 </listitem>
5605
5606 </itemizedlist>
5607
5608 </para>
5609
5610 </sect2>
5611
5612 <sect2>
5613 <title>List fusion</title>
5614
5615 <para>
5616 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5617 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5618 intermediate list should be eliminated entirely.
5619 </para>
5620
5621 <para>
5622 The following are good producers:
5623
5624 <itemizedlist>
5625 <listitem>
5626
5627 <para>
5628  List comprehensions
5629 </para>
5630 </listitem>
5631 <listitem>
5632
5633 <para>
5634  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5635 </para>
5636 </listitem>
5637 <listitem>
5638
5639 <para>
5640  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5641 </para>
5642 </listitem>
5643 <listitem>
5644
5645 <para>
5646  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5647 </para>
5648 </listitem>
5649 <listitem>
5650
5651 <para>
5652  <function>++</function>
5653 </para>
5654 </listitem>
5655
5656 <listitem>
5657 <para>
5658  <function>map</function>
5659 </para>
5660 </listitem>
5661
5662 <listitem>
5663 <para>
5664 <function>take</function>, <function>filter</function>
5665 </para>
5666 </listitem>
5667 <listitem>
5668
5669 <para>
5670  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5671 </para>
5672 </listitem>
5673 <listitem>
5674
5675 <para>
5676  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5677 </para>
5678 </listitem>
5679
5680 </itemizedlist>
5681
5682 </para>
5683
5684 <para>
5685 The following are good consumers:
5686
5687 <itemizedlist>
5688 <listitem>
5689
5690 <para>
5691  List comprehensions
5692 </para>
5693 </listitem>
5694 <listitem>
5695
5696 <para>
5697  <function>array</function> (on its second argument)
5698 </para>
5699 </listitem>
5700 <listitem>
5701
5702 <para>
5703  <function>length</function>
5704 </para>
5705 </listitem>
5706 <listitem>
5707
5708 <para>
5709  <function>++</function> (on its first argument)
5710 </para>
5711 </listitem>
5712
5713 <listitem>
5714 <para>
5715  <function>foldr</function>
5716 </para>
5717 </listitem>
5718
5719 <listitem>
5720 <para>
5721  <function>map</function>
5722 </para>
5723 </listitem>
5724 <listitem>
5725
5726 <para>
5727 <function>take</function>, <function>filter</function>
5728 </para>
5729 </listitem>
5730 <listitem>
5731
5732 <para>
5733  <function>concat</function>
5734 </para>
5735 </listitem>
5736 <listitem>
5737
5738 <para>
5739  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5740 </para>
5741 </listitem>
5742 <listitem>
5743
5744 <para>
5745  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5746 will fuse with one but not the other)
5747 </para>
5748 </listitem>
5749 <listitem>
5750
5751 <para>
5752  <function>partition</function>
5753 </para>
5754 </listitem>
5755 <listitem>
5756
5757 <para>
5758  <function>head</function>
5759 </para>
5760 </listitem>
5761 <listitem>
5762
5763 <para>
5764  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5765 </para>
5766 </listitem>
5767 <listitem>
5768
5769 <para>
5770  <function>sequence&lowbar;</function>
5771 </para>
5772 </listitem>
5773 <listitem>
5774
5775 <para>
5776  <function>msum</function>
5777 </para>
5778 </listitem>
5779 <listitem>
5780
5781 <para>
5782  <function>sortBy</function>
5783 </para>
5784 </listitem>
5785
5786 </itemizedlist>
5787
5788 </para>
5789
5790  <para>
5791 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5792
5793 <programlisting>
5794 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5795 </programlisting>
5796
5797 </para>
5798
5799 <para>
5800 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5801 a lot which are not included, please tell us.
5802 </para>
5803
5804 <para>
5805 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5806 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5807 </para>
5808
5809 </sect2>
5810
5811 <sect2 id="rule-spec">
5812 <title>Specialisation
5813 </title>
5814
5815 <para>
5816 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5817 present in earlier versions of GHC.
5818 For example, suppose that:
5819
5820 <programlisting>
5821 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5822 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5823 </programlisting>
5824
5825 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5826 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5827 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5828 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5829 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5830 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5831 It used to be possible to write
5832
5833 <programlisting>
5834 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5835 </programlisting>
5836
5837 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5838
5839 <programlisting>
5840 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5841 </programlisting>
5842
5843 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5844 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5845 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5846 What is more, this rule does not need to be in the same
5847 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5848 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5849 have an original definition available to specialise).
5850 </para>
5851
5852 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5853 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5854 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5855
5856 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5857 specialisation will Win Big:
5858
5859 <programlisting>
5860 toDouble :: Real a => a -> Double
5861 toDouble = fromRational . toRational
5862
5863 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5864 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5865 </programlisting>
5866
5867 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5868 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5869 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5870 comparison.
5871 </para>
5872
5873 </sect2>
5874
5875 <sect2>
5876 <title>Controlling what's going on</title>
5877
5878 <para>
5879
5880 <itemizedlist>
5881 <listitem>
5882
5883 <para>
5884  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5885 </para>
5886 </listitem>
5887 <listitem>
5888
5889 <para>
5890  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5891 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5892 </para>
5893 </listitem>
5894 <listitem>
5895
5896 <para>
5897  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5898
5899 <programlisting>
5900         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5901         {-# INLINE build #-}
5902         build g = g (:) []
5903 </programlisting>
5904
5905 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5906 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5907 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5908 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5909
5910 </para>
5911 </listitem>
5912 <listitem>
5913
5914 <para>
5915  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5916 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5917 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5918 </para>
5919 </listitem>
5920
5921 </itemizedlist>
5922
5923 </para>
5924
5925 </sect2>
5926
5927 <sect2 id="core-pragma">
5928   <title>CORE pragma</title>
5929
5930   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5931   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5932   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5933
5934 <para>
5935   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5936   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5937   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5938   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5939   literal as an argument.  The following function definition shows an
5940   example:
5941
5942 <programlisting>
5943 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5944 </programlisting>
5945
5946   Semantically, this is equivalent to:
5947
5948 <programlisting>
5949 g x = show x
5950 </programlisting>
5951 </para>
5952
5953 <para>
5954   However, when external for is generated (via
5955   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5956   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5957   The core function declaration for <function>f</function> is:
5958 </para>
5959
5960 <programlisting>
5961   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5962                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5963     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5964         (%note "foo"
5965          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5966            {GHCziShow.ZCDShow
5967             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5968                    a ->
5969                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5970 r)
5971             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5972             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5973                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5974 r) ->
5975               tpl2})
5976         (%note "foo"
5977          eta);
5978 </programlisting>
5979
5980 <para>
5981   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5982   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5983   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5984   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5985   <varname>x</varname>).
5986 </para>
5987
5988 </sect2>
5989
5990 </sect1>
5991
5992 <sect1 id="special-ids">
5993 <title>Special built-in functions</title>
5994 <para>GHC has a few built-in funcions with special behaviour, 
5995 described in this section.  All are exported by
5996 <literal>GHC.Exts</literal>.</para>
5997
5998 <sect2> <title>The <literal>inline</literal> function </title>
5999 <para>
6000 The <literal>inline</literal> function is somewhat experimental.
6001 <programlisting>
6002   inline :: a -> a
6003 </programlisting>
6004 The call <literal>(inline f)</literal> arranges that <literal>f</literal> 
6005 is inlined, regardless of its size.  More precisely, the call
6006 <literal>(inline f)</literal> rewrites to the right-hand side of <literal>f</literal>'s 
6007 definition.  
6008 This allows the programmer to control inlining from 
6009 a particular <emphasis>call site</emphasis>
6010 rather than the <emphasis>definition site</emphasis> of the function 
6011 (c.f. <literal>INLINE</literal> pragmas <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>).
6012 </para>
6013 <para>
6014 This inlining occurs regardless of the argument to the call
6015 or the size of <literal>f</literal>'s definition; it is unconditional.
6016 The main caveat is that <literal>f</literal>'s definition must be
6017 visible to the compiler.  That is, <literal>f</literal> must be
6018 let-bound in the current scope.
6019 If no inlining takes place, the <literal>inline</literal> function
6020 expands to the identity function in Phase zero; so its use imposes
6021 no overhead.</para>
6022
6023 <para> If the function is defined in another
6024 module, GHC only exposes its inlining in the interface file if the
6025 function is sufficiently small that it <emphasis>might</emphasis> be
6026 inlined by the automatic mechanism.  There is currently no way to tell
6027 GHC to expose arbitrarily-large functions in the interface file.  (This
6028 shortcoming is something that could be fixed, with some kind of pragma.)
6029 </para>
6030 </sect2>
6031
6032 <sect2> <title>The <literal>inline</literal> function </title>
6033 <para>
6034 The <literal>lazy</literal> function restrains strictness analysis a little:
6035 <programlisting>
6036   lazy :: a -> a
6037 </programlisting>
6038 The call <literal>(lazy e)</literal> means the same as <literal>e</literal>, 
6039 but <literal>lazy</literal> has a magical property so far as strictness
6040 analysis is concerned: it is lazy in its first argument,
6041 even though its semantics is strict.  After strictness analysis has run,
6042 calls to <literal>lazy</literal> are inlined to be the identity function.
6043 </para>
6044 <para>
6045 This behaviour is occasionally useful when controlling evaluation order.
6046 Notably, <literal>lazy</literal> is used in the library definition of
6047 <literal>Control.Parallel.par</literal>:
6048 <programlisting>
6049   par :: a -> b -> b
6050   par x y = case (par# x) of { _ -> lazy y }
6051 </programlisting>
6052 If <literal>lazy</literal> were not lazy, <literal>par</literal> would
6053 look strict in <literal>y</literal> which would defeat the whole 
6054 purpose of <literal>par</literal>.
6055 </para>
6056 </sect2>
6057 </sect1>
6058
6059
6060 <sect1 id="generic-classes">
6061 <title>Generic classes</title>
6062
6063     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
6064     GHC 5.02).</para>
6065
6066 <para>
6067 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
6068 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
6069 An example will give the idea:
6070 </para>
6071
6072 <programlisting>
6073   import Generics
6074
6075   class Bin a where
6076     toBin   :: a -> [Int]
6077     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
6078   
6079     toBin {| Unit |}    Unit      = []
6080     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
6081     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
6082     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
6083   
6084     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
6085     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
6086     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
6087     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
6088                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
6089 </programlisting>
6090 <para>
6091 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
6092 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
6093 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
6094 </para>
6095 <programlisting>
6096   data Unit    = Unit
6097   data a :+: b = Inl a | Inr b
6098   data a :*: b = a :*: b
6099 </programlisting>
6100 <para>
6101 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
6102 <programlisting>
6103   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
6104   instance Bin a => Bin [a]
6105 </programlisting>
6106 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
6107 where clause and over-ride whichever methods you please.
6108 </para>
6109
6110     <sect2>
6111       <title> Using generics </title>
6112       <para>To use generics you need to</para>
6113       <itemizedlist>
6114         <listitem>
6115           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
6116                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
6117                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
6118                 available.  </para>
6119         </listitem>
6120         <listitem>
6121           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
6122           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
6123           scope the data types <literal>Unit</literal>,
6124           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
6125           don't need this import if you don't mention these types
6126           explicitly; for example, if you are simply giving instance
6127           declarations.)</para>
6128         </listitem>
6129       </itemizedlist>
6130     </sect2>
6131
6132 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
6133 <para>
6134 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
6135 can be written infix (indeed, you can now use
6136 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
6137 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
6138 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
6139 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
6140 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
6141 anticipate wanting).
6142 </para>
6143 </sect2>
6144
6145 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
6146 <para>
6147 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
6148 is one that is defined using type patterns as above.
6149 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
6150 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
6151 generic default method.
6152 </para>
6153
6154 <para>
6155 Restrictions:
6156 <itemizedlist>
6157 <listitem>
6158 <para>
6159 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
6160 field labels.
6161 </para>
6162 </listitem>
6163
6164 <listitem>
6165 <para>
6166 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
6167 multi-parameter class.
6168 </para>
6169 </listitem>
6170
6171 <listitem>
6172 <para>
6173 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
6174 without.  So this is illegal:
6175 <programlisting>
6176   class Foo a where
6177     op :: a -> (a, Bool)
6178     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
6179     op x               = (x,    False)
6180 </programlisting>
6181 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
6182 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
6183 </para>
6184 </listitem>
6185
6186 <listitem>
6187 <para>
6188 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
6189 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:
6190 <programlisting>
6191   class Foo a where
6192     op :: a -> Bool
6193     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
6194     ...
6195 </programlisting>
6196 </para>
6197 </listitem>
6198
6199 <listitem>
6200 <para>
6201 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
6202 <programlisting>
6203        a :+: b
6204        a :*: b
6205        Unit
6206 </programlisting>
6207 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
6208 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
6209 must use the same type variables.  So this is illegal:
6210 <programlisting>
6211   class Foo a where
6212     op :: a -> Bool
6213     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
6214     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
6215 </programlisting>
6216 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
6217 So this too is illegal:
6218 <programlisting>
6219   class Foo a where
6220     op1 :: a -> Bool
6221     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
6222
6223     op2 :: a -> Bool
6224     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
6225 </programlisting>
6226 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
6227 into a single generic instance declaration.)
6228 </para>
6229 </listitem>
6230
6231 <listitem>
6232 <para>
6233 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
6234 </para>
6235 </listitem>
6236
6237 <listitem>
6238 <para>
6239 The type for a generic method can be built only from:
6240   <itemizedlist>
6241   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
6242   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
6243   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
6244   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
6245   </itemizedlist>
6246 Here are some example type signatures for generic methods:
6247 <programlisting>
6248     op1 :: a -> Bool
6249     op2 :: Bool -> (a,Bool)
6250     op3 :: [Int] -> a -> a
6251     op4 :: [a] -> Bool
6252 </programlisting>
6253 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
6254 inside a list.  
6255 </para>
6256 <para>
6257 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
6258 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
6259 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
6260 to the ones that are allowed.</para>
6261 </listitem>
6262
6263 <listitem>
6264 <para>
6265 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
6266 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
6267 do so if
6268   <itemizedlist>
6269   <listitem>
6270   <para>
6271   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
6272   </para>
6273   </listitem>
6274   <listitem>
6275   <para>
6276   No constructor of the instance type has unboxed fields.
6277   </para>
6278   </listitem>
6279   </itemizedlist>
6280 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
6281 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
6282 provided you give explicit code to override any generic default methods.
6283 </para>
6284 </listitem>
6285
6286 </itemizedlist>
6287 </para>
6288
6289 <para>
6290 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
6291 what the compiler does with generic declarations.
6292 </para>
6293
6294 </sect2>
6295
6296 <sect2> <title> Another example </title>
6297 <para>
6298 Just to finish with, here's another example I rather like:
6299 <programlisting>
6300   class Tag a where
6301     nCons :: a -> Int
6302     nCons {| Unit |}    _ = 1
6303     nCons {| a :*: b |} _ = 1
6304     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
6305   
6306     tag :: a -> Int
6307     tag {| Unit |}    _       = 1
6308     tag {| a :*: b |} _       = 1   
6309     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
6310     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
6311 </programlisting>
6312 </para>
6313 </sect2>
6314 </sect1>
6315
6316
6317
6318 <!-- Emacs stuff:
6319      ;;; Local Variables: ***
6320      ;;; mode: xml ***
6321      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
6322      ;;; End: ***
6323  -->
6324