a1930880d6658114bc66414204c77663ed43fc14
[ghc-hetmet.git] / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They can all be enabled or disabled by commandline flags
7 or language pragmas. By default GHC understands the most recent Haskell
8 version it supports, plus a handful of extensions.
9 </para>
10
11 <para>
12 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
13 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
14 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
15 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
16 on performance because of the implementation costs of Haskell's
17 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
18 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
19 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
20 </para>
21
22 <para>
23 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
24 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
25 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
26 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
27 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
28 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
29 </para>
30
31 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
32   <sect1 id="options-language">
33     <title>Language options</title>
34
35     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
36     </indexterm>
37     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
38     </indexterm>
39     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
40     </indexterm>
41
42     <para>The language option flags control what variation of the language are
43     permitted.</para>
44
45     <para>Language options can be controlled in two ways:
46     <itemizedlist>
47       <listitem><para>Every language option can switched on by a command-line flag "<option>-X...</option>" 
48         (e.g. <option>-XTemplateHaskell</option>), and switched off by the flag "<option>-XNo...</option>"; 
49         (e.g. <option>-XNoTemplateHaskell</option>).</para></listitem>
50       <listitem><para>
51           Language options recognised by Cabal can also be enabled using the <literal>LANGUAGE</literal> pragma,
52           thus <literal>{-# LANGUAGE TemplateHaskell #-}</literal> (see <xref linkend="language-pragma"/>). </para>
53           </listitem>
54       </itemizedlist></para>
55
56     <para>The flag <option>-fglasgow-exts</option>
57           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
58           is equivalent to enabling the following extensions: 
59           &what_glasgow_exts_does;
60             Enabling these options is the <emphasis>only</emphasis> 
61             effect of <option>-fglasgow-exts</option>.
62           We are trying to move away from this portmanteau flag, 
63           and towards enabling features individually.</para>
64
65   </sect1>
66
67 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
68 <sect1 id="primitives">
69   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
70
71 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations;
72 "primitive" in the sense that they cannot be defined in Haskell itself.
73 While you really can use this stuff to write fast code,
74   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
75   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
76   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
77   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
78   about it.</para>
79
80 <para>All these primitive data types and operations are exported by the 
81 library <literal>GHC.Prim</literal>, for which there is 
82 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html">detailed online documentation</ulink>.
83 (This documentation is generated from the file <filename>compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.)
84 </para>
85 <para>
86 If you want to mention any of the primitive data types or operations in your
87 program, you must first import <literal>GHC.Prim</literal> to bring them
88 into scope.  Many of them have names ending in "&num;", and to mention such
89 names you need the <option>-XMagicHash</option> extension (<xref linkend="magic-hash"/>).
90 </para>
91
92 <para>The primops make extensive use of <link linkend="glasgow-unboxed">unboxed types</link> 
93 and <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link>, which
94 we briefly summarise here. </para>
95   
96 <sect2 id="glasgow-unboxed">
97 <title>Unboxed types
98 </title>
99
100 <para>
101 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
102 </para>
103
104 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
105 that values of that type are represented by a pointer to a heap
106 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
107 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
108 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
109 allocation are involved.
110 </para>
111
112 <para>
113 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
114 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
115 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
116 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
117 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
118 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
119 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
120 know and love&mdash;usually one instruction.
121 </para>
122
123 <para>
124 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
125 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
126 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
127 bottom.  We use the convention (but it is only a convention) 
128 that primitive types, values, and
129 operations have a <literal>&num;</literal> suffix (see <xref linkend="magic-hash"/>).
130 For some primitive types we have special syntax for literals, also
131 described in the <link linkend="magic-hash">same section</link>.
132 </para>
133
134 <para>
135 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
136 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
137 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
138 a primitive value might be represented by a pointer to a
139 heap-allocated object.  Examples include
140 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
141 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
142 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
143 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
144 represents a primitive value, then it really does point to that value:
145 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
146 other end of the pointer than the primitive value.
147 A numerically-intensive program using unboxed types can
148 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
149 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
150 </para>
151
152 <para>
153 There are some restrictions on the use of primitive types:
154 <itemizedlist>
155 <listitem><para>The main restriction
156 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
157 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
158 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
159 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
160 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
161 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
162 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
163 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
164 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
165 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
166 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
167 </para>
168 </listitem>
169 <listitem><para> You cannot define a newtype whose representation type
170 (the argument type of the data constructor) is an unboxed type.  Thus,
171 this is illegal:
172 <programlisting>
173   newtype A = MkA Int#
174 </programlisting>
175 </para></listitem>
176 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
177 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
178 </para></listitem>
179 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
180 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
181 </para></listitem>
182 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
183 non-top-level) pattern binding, but you must make any such pattern-match
184 strict.  For example, rather than:
185 <programlisting>
186   data Foo = Foo Int Int#
187
188   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
189 </programlisting>
190 you must write:
191 <programlisting>
192   data Foo = Foo Int Int#
193
194   f x = let !(Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
195 </programlisting>
196 since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>.
197 </para>
198 </listitem>
199 </itemizedlist>
200 </para>
201
202 </sect2>
203
204 <sect2 id="unboxed-tuples">
205 <title>Unboxed Tuples
206 </title>
207
208 <para>
209 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
210 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
211 unboxed tuple looks like this:
212 </para>
213
214 <para>
215
216 <programlisting>
217 (# e_1, ..., e_n #)
218 </programlisting>
219
220 </para>
221
222 <para>
223 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
224 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
225 the same.
226 </para>
227
228 <para>
229 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
230 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
231 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
232 components are put directly into registers or on the stack; the
233 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
234 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
235 tuples.
236 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
237 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
238 </para>
239
240 <para>
241 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
242 <itemizedlist>
243 <listitem>
244
245 <para>
246 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
247 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
248 structures or passed to polymorphic functions.
249
250 </para>
251 </listitem>
252 <listitem>
253
254 <para>
255 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
256 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
257
258
259 <programlisting>
260   data Foo = Foo (# Int, Int #)
261
262   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
263   f x = x
264
265   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
266   g (# a,b #) = a
267
268   h x = let y = (# x,x #) in ...
269 </programlisting>
270 </para>
271 </listitem>
272 </itemizedlist>
273 </para>
274 <para>
275 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
276 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
277 <programlisting>
278   f x y = (# x+1, y-1 #)
279   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
280 </programlisting>
281 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
282 <programlisting>
283   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
284 </programlisting>
285 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
286 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
287 above example desugars like this:
288 <programlisting>
289   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
290             p = fst t
291             q = snd t
292         in ..body..
293 </programlisting>
294 Indeed, the bindings can even be recursive.
295 </para>
296
297 </sect2>
298 </sect1>
299
300
301 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
302
303 <sect1 id="syntax-extns">
304 <title>Syntactic extensions</title>
305  
306     <sect2 id="unicode-syntax">
307       <title>Unicode syntax</title>
308       <para>The language
309       extension <option>-XUnicodeSyntax</option><indexterm><primary><option>-XUnicodeSyntax</option></primary></indexterm>
310       enables Unicode characters to be used to stand for certain ASCII
311       character sequences.  The following alternatives are provided:</para>
312
313       <informaltable>
314         <tgroup cols="2" align="left" colsep="1" rowsep="1">
315           <thead>
316             <row>
317               <entry>ASCII</entry>
318               <entry>Unicode alternative</entry>
319               <entry>Code point</entry>
320               <entry>Name</entry>
321             </row>
322           </thead>
323
324 <!--
325                to find the DocBook entities for these characters, find
326                the Unicode code point (e.g. 0x2237), and grep for it in
327                /usr/share/sgml/docbook/xml-dtd-*/ent/* (or equivalent on
328                your system.  Some of these Unicode code points don't have
329                equivalent DocBook entities.
330             -->
331
332           <tbody>
333             <row>
334               <entry><literal>::</literal></entry>
335               <entry>::</entry> <!-- no special char, apparently -->
336               <entry>0x2237</entry>
337               <entry>PROPORTION</entry>
338             </row>
339           </tbody>
340           <tbody>
341             <row>
342               <entry><literal>=&gt;</literal></entry>
343               <entry>&rArr;</entry>
344               <entry>0x21D2</entry>
345               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW</entry>
346             </row>
347           </tbody>
348           <tbody>
349             <row>
350               <entry><literal>forall</literal></entry>
351               <entry>&forall;</entry>
352               <entry>0x2200</entry>
353               <entry>FOR ALL</entry>
354             </row>
355           </tbody>
356           <tbody>
357             <row>
358               <entry><literal>-&gt;</literal></entry>
359               <entry>&rarr;</entry>
360               <entry>0x2192</entry>
361               <entry>RIGHTWARDS ARROW</entry>
362             </row>
363           </tbody>
364           <tbody>
365             <row>
366               <entry><literal>&lt;-</literal></entry>
367               <entry>&larr;</entry>
368               <entry>0x2190</entry>
369               <entry>LEFTWARDS ARROW</entry>
370             </row>
371           </tbody>
372
373           <tbody>
374             <row>
375               <entry>-&lt;</entry>
376               <entry>&larrtl;</entry>
377               <entry>0x2919</entry>
378               <entry>LEFTWARDS ARROW-TAIL</entry>
379             </row>
380           </tbody>
381
382           <tbody>
383             <row>
384               <entry>&gt;-</entry>
385               <entry>&rarrtl;</entry>
386               <entry>0x291A</entry>
387               <entry>RIGHTWARDS ARROW-TAIL</entry>
388             </row>
389           </tbody>
390
391           <tbody>
392             <row>
393               <entry>-&lt;&lt;</entry>
394               <entry></entry>
395               <entry>0x291B</entry>
396               <entry>LEFTWARDS DOUBLE ARROW-TAIL</entry>
397             </row>
398           </tbody>
399
400           <tbody>
401             <row>
402               <entry>&gt;&gt;-</entry>
403               <entry></entry>
404               <entry>0x291C</entry>
405               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW-TAIL</entry>
406             </row>
407           </tbody>
408
409           <tbody>
410             <row>
411               <entry>*</entry>
412               <entry>&starf;</entry>
413               <entry>0x2605</entry>
414               <entry>BLACK STAR</entry>
415             </row>
416           </tbody>
417
418         </tgroup>
419       </informaltable>
420     </sect2>
421
422     <sect2 id="magic-hash">
423       <title>The magic hash</title>
424       <para>The language extension <option>-XMagicHash</option> allows "&num;" as a
425         postfix modifier to identifiers.  Thus, "x&num;" is a valid variable, and "T&num;" is
426         a valid type constructor or data constructor.</para>
427
428       <para>The hash sign does not change sematics at all.  We tend to use variable
429         names ending in "&num;" for unboxed values or types (e.g. <literal>Int&num;</literal>), 
430         but there is no requirement to do so; they are just plain ordinary variables.
431         Nor does the <option>-XMagicHash</option> extension bring anything into scope.
432         For example, to bring <literal>Int&num;</literal> into scope you must 
433         import <literal>GHC.Prim</literal> (see <xref linkend="primitives"/>); 
434         the <option>-XMagicHash</option> extension
435         then allows you to <emphasis>refer</emphasis> to the <literal>Int&num;</literal>
436         that is now in scope.</para>
437       <para> The <option>-XMagicHash</option> also enables some new forms of literals (see <xref linkend="glasgow-unboxed"/>):
438         <itemizedlist> 
439           <listitem><para> <literal>'x'&num;</literal> has type <literal>Char&num;</literal></para> </listitem>
440           <listitem><para> <literal>&quot;foo&quot;&num;</literal> has type <literal>Addr&num;</literal></para> </listitem>
441           <listitem><para> <literal>3&num;</literal> has type <literal>Int&num;</literal>. In general,
442           any Haskell integer lexeme followed by a <literal>&num;</literal> is an <literal>Int&num;</literal> literal, e.g.
443             <literal>-0x3A&num;</literal> as well as <literal>32&num;</literal></para>.</listitem>
444           <listitem><para> <literal>3&num;&num;</literal> has type <literal>Word&num;</literal>. In general,
445           any non-negative Haskell integer lexeme followed by <literal>&num;&num;</literal>
446               is a <literal>Word&num;</literal>. </para> </listitem>
447           <listitem><para> <literal>3.2&num;</literal> has type <literal>Float&num;</literal>.</para> </listitem>
448           <listitem><para> <literal>3.2&num;&num;</literal> has type <literal>Double&num;</literal></para> </listitem>
449           </itemizedlist>
450       </para>
451    </sect2>
452
453     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
454
455
456     <sect2 id="hierarchical-modules">
457       <title>Hierarchical Modules</title>
458
459       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
460       names: a module name is allowed to contain a dot
461       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
462       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
463       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
464       more flexible hierarchy of modules.</para>
465
466       <para>This extension has very little impact on the language
467       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
468       qualified, so you can just think of the fully qualified module
469       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
470       means that the full module name must be given after the
471       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
472       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
473       begin</para>
474
475 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
476
477
478       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
479       keyword to save some typing when using qualified names with
480       hierarchical modules.  For example:</para>
481
482 <programlisting>
483 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
484 </programlisting>
485
486       <para>For details on how GHC searches for source and interface
487       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
488       linkend="search-path"/>.</para>
489
490       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
491       hierarchically; see the accompanying <ulink
492       url="../libraries/index.html">library
493       documentation</ulink>.  More libraries to install are available
494       from <ulink
495       url="http://hackage.haskell.org/packages/hackage.html">HackageDB</ulink>.</para>
496     </sect2>
497
498     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
499
500 <sect2 id="pattern-guards">
501 <title>Pattern guards</title>
502
503 <para>
504 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
505 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ulink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
506 </para>
507
508 <para>
509 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
510 lookup operation:
511
512 <programlisting>
513 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
514 </programlisting>
515
516 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
517 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
518 </para>
519
520 <programlisting>
521 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
522 | otherwise  = var1 + var2
523 where
524   m1 = lookup env var1
525   m2 = lookup env var2
526   ok1 = maybeToBool m1
527   ok2 = maybeToBool m2
528   val1 = expectJust m1
529   val2 = expectJust m2
530 </programlisting>
531
532 <para>
533 The auxiliary functions are 
534 </para>
535
536 <programlisting>
537 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
538 maybeToBool (Just x) = True
539 maybeToBool Nothing  = False
540
541 expectJust :: Maybe a -&gt; a
542 expectJust (Just x) = x
543 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
544 </programlisting>
545
546 <para>
547 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
548 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
549 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
550 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
551 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
552 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
553 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
554 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
555 </para>
556
557 <para>
558 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
559 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
560 to write clunky would be to use case expressions:
561 </para>
562
563 <programlisting>
564 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
565   Nothing -&gt; fail
566   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
567     Nothing -&gt; fail
568     Just val2 -&gt; val1 + val2
569 where
570   fail = var1 + var2
571 </programlisting>
572
573 <para>
574 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
575 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
576 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
577 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
578 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
579 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
580 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
581 tends to become more and more indented. 
582 </para>
583
584 <para>
585 Here is how I would write clunky:
586 </para>
587
588 <programlisting>
589 clunky env var1 var2
590   | Just val1 &lt;- lookup env var1
591   , Just val2 &lt;- lookup env var2
592   = val1 + val2
593 ...other equations for clunky...
594 </programlisting>
595
596 <para>
597 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
598 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
599 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
600 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
601 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
602 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
603 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
604 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
605 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
606 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
607 </para>
608
609 <para>
610 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
611 with among the pattern guards.  For example:
612 </para>
613
614 <programlisting>
615 f x | [y] &lt;- x
616     , y > 3
617     , Just z &lt;- h y
618     = ...
619 </programlisting>
620
621 <para>
622 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
623 qualifier list has just one element, a boolean expression.
624 </para>
625 </sect2>
626
627     <!-- ===================== View patterns ===================  -->
628
629 <sect2 id="view-patterns">
630 <title>View patterns
631 </title>
632
633 <para>
634 View patterns are enabled by the flag <literal>-XViewPatterns</literal>.
635 More information and examples of view patterns can be found on the
636 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/ViewPatterns">Wiki
637 page</ulink>.
638 </para>
639
640 <para>
641 View patterns are somewhat like pattern guards that can be nested inside
642 of other patterns.  They are a convenient way of pattern-matching
643 against values of abstract types. For example, in a programming language
644 implementation, we might represent the syntax of the types of the
645 language as follows:
646
647 <programlisting>
648 type Typ
649  
650 data TypView = Unit
651              | Arrow Typ Typ
652
653 view :: Type -> TypeView
654
655 -- additional operations for constructing Typ's ...
656 </programlisting>
657
658 The representation of Typ is held abstract, permitting implementations
659 to use a fancy representation (e.g., hash-consing to manage sharing).
660
661 Without view patterns, using this signature a little inconvenient: 
662 <programlisting>
663 size :: Typ -> Integer
664 size t = case view t of
665   Unit -> 1
666   Arrow t1 t2 -> size t1 + size t2
667 </programlisting>
668
669 It is necessary to iterate the case, rather than using an equational
670 function definition. And the situation is even worse when the matching
671 against <literal>t</literal> is buried deep inside another pattern.
672 </para>
673
674 <para>
675 View patterns permit calling the view function inside the pattern and
676 matching against the result: 
677 <programlisting>
678 size (view -> Unit) = 1
679 size (view -> Arrow t1 t2) = size t1 + size t2
680 </programlisting>
681
682 That is, we add a new form of pattern, written
683 <replaceable>expression</replaceable> <literal>-></literal>
684 <replaceable>pattern</replaceable> that means "apply the expression to
685 whatever we're trying to match against, and then match the result of
686 that application against the pattern". The expression can be any Haskell
687 expression of function type, and view patterns can be used wherever
688 patterns are used.
689 </para>
690
691 <para>
692 The semantics of a pattern <literal>(</literal>
693 <replaceable>exp</replaceable> <literal>-></literal>
694 <replaceable>pat</replaceable> <literal>)</literal> are as follows:
695
696 <itemizedlist>
697
698 <listitem> Scoping:
699
700 <para>The variables bound by the view pattern are the variables bound by
701 <replaceable>pat</replaceable>.
702 </para>
703
704 <para>
705 Any variables in <replaceable>exp</replaceable> are bound occurrences,
706 but variables bound "to the left" in a pattern are in scope.  This
707 feature permits, for example, one argument to a function to be used in
708 the view of another argument.  For example, the function
709 <literal>clunky</literal> from <xref linkend="pattern-guards" /> can be
710 written using view patterns as follows:
711
712 <programlisting>
713 clunky env (lookup env -> Just val1) (lookup env -> Just val2) = val1 + val2
714 ...other equations for clunky...
715 </programlisting>
716 </para>
717
718 <para>
719 More precisely, the scoping rules are: 
720 <itemizedlist>
721 <listitem>
722 <para>
723 In a single pattern, variables bound by patterns to the left of a view
724 pattern expression are in scope. For example:
725 <programlisting>
726 example :: Maybe ((String -> Integer,Integer), String) -> Bool
727 example Just ((f,_), f -> 4) = True
728 </programlisting>
729
730 Additionally, in function definitions, variables bound by matching earlier curried
731 arguments may be used in view pattern expressions in later arguments:
732 <programlisting>
733 example :: (String -> Integer) -> String -> Bool
734 example f (f -> 4) = True
735 </programlisting>
736 That is, the scoping is the same as it would be if the curried arguments
737 were collected into a tuple.  
738 </para>
739 </listitem>
740
741 <listitem>
742 <para>
743 In mutually recursive bindings, such as <literal>let</literal>,
744 <literal>where</literal>, or the top level, view patterns in one
745 declaration may not mention variables bound by other declarations.  That
746 is, each declaration must be self-contained.  For example, the following
747 program is not allowed:
748 <programlisting>
749 let {(x -> y) = e1 ;
750      (y -> x) = e2 } in x
751 </programlisting>
752
753 (For some amplification on this design choice see 
754 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/ticket/4061">Trac #4061</ulink>.)
755
756 </para>
757 </listitem>
758 </itemizedlist>
759
760 </para>
761 </listitem>
762
763 <listitem><para> Typing: If <replaceable>exp</replaceable> has type
764 <replaceable>T1</replaceable> <literal>-></literal>
765 <replaceable>T2</replaceable> and <replaceable>pat</replaceable> matches
766 a <replaceable>T2</replaceable>, then the whole view pattern matches a
767 <replaceable>T1</replaceable>.
768 </para></listitem>
769
770 <listitem><para> Matching: To the equations in Section 3.17.3 of the
771 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/">Haskell 98
772 Report</ulink>, add the following:
773 <programlisting>
774 case v of { (e -> p) -> e1 ; _ -> e2 } 
775  = 
776 case (e v) of { p -> e1 ; _ -> e2 }
777 </programlisting>
778 That is, to match a variable <replaceable>v</replaceable> against a pattern
779 <literal>(</literal> <replaceable>exp</replaceable>
780 <literal>-></literal> <replaceable>pat</replaceable>
781 <literal>)</literal>, evaluate <literal>(</literal>
782 <replaceable>exp</replaceable> <replaceable> v</replaceable>
783 <literal>)</literal> and match the result against
784 <replaceable>pat</replaceable>.  
785 </para></listitem>
786
787 <listitem><para> Efficiency: When the same view function is applied in
788 multiple branches of a function definition or a case expression (e.g.,
789 in <literal>size</literal> above), GHC makes an attempt to collect these
790 applications into a single nested case expression, so that the view
791 function is only applied once.  Pattern compilation in GHC follows the
792 matrix algorithm described in Chapter 4 of <ulink
793 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/slpj-book-1987/">The
794 Implementation of Functional Programming Languages</ulink>.  When the
795 top rows of the first column of a matrix are all view patterns with the
796 "same" expression, these patterns are transformed into a single nested
797 case.  This includes, for example, adjacent view patterns that line up
798 in a tuple, as in
799 <programlisting>
800 f ((view -> A, p1), p2) = e1
801 f ((view -> B, p3), p4) = e2
802 </programlisting>
803 </para>
804
805 <para> The current notion of when two view pattern expressions are "the
806 same" is very restricted: it is not even full syntactic equality.
807 However, it does include variables, literals, applications, and tuples;
808 e.g., two instances of <literal>view ("hi", "there")</literal> will be
809 collected.  However, the current implementation does not compare up to
810 alpha-equivalence, so two instances of <literal>(x, view x ->
811 y)</literal> will not be coalesced.
812 </para>
813
814 </listitem>
815
816 </itemizedlist>
817 </para>
818
819 </sect2>
820
821     <!-- ===================== n+k patterns ===================  -->
822
823 <sect2 id="n-k-patterns">
824 <title>n+k patterns</title>
825 <indexterm><primary><option>-XNoNPlusKPatterns</option></primary></indexterm>
826
827 <para>
828 <literal>n+k</literal> pattern support is enabled by default. To disable
829 it, you can use the <option>-XNoNPlusKPatterns</option> flag.
830 </para>
831
832 </sect2>
833
834     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
835
836 <sect2 id="recursive-do-notation">
837 <title>The recursive do-notation
838 </title>
839
840 <para>
841 The do-notation of Haskell 98 does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
842 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
843 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
844 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
845 the do-notation.  The <option>-XDoRec</option> flag provides the necessary syntactic support.
846 </para>
847 <para>
848 Here is a simple (albeit contrived) example:
849 <programlisting>
850 {-# LANGUAGE DoRec #-}
851 justOnes = do { rec { xs &lt;- Just (1:xs) }
852               ; return (map negate xs) }
853 </programlisting>
854 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [-1,-1,-1,...</literal>.
855 </para>
856 <para>
857 The background and motivation for recursive do-notation is described in
858 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/">A recursive do for Haskell</ulink>,
859 by Levent Erkok, John Launchbury,
860 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
861 The theory behind monadic value recursion is explained further in Erkok's thesis
862 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/erkok-thesis.pdf">Value Recursion in Monadic Computations</ulink>.
863 However, note that GHC uses a different syntax than the one described in these documents.
864 </para>
865
866 <sect3>
867 <title>Details of recursive do-notation</title>
868 <para>
869 The recursive do-notation is enabled with the flag <option>-XDoRec</option> or, equivalently,
870 the LANGUAGE pragma <option>DoRec</option>.  It introduces the single new keyword "<literal>rec</literal>",
871 which wraps a mutually-recursive group of monadic statements,
872 producing a single statement.
873 </para>
874 <para>Similar to a <literal>let</literal>
875 statement, the variables bound in the <literal>rec</literal> are 
876 visible throughout the <literal>rec</literal> group, and below it.
877 For example, compare
878 <programlisting>
879 do { a &lt;- getChar              do { a &lt;- getChar                    
880    ; let { r1 = f a r2             ; rec { r1 &lt;- f a r2      
881          ; r2 = g r1 }                   ; r2 &lt;- g r1 }      
882    ; return (r1 ++ r2) }          ; return (r1 ++ r2) }
883 </programlisting>
884 In both cases, <literal>r1</literal> and <literal>r2</literal> are 
885 available both throughout the <literal>let</literal> or <literal>rec</literal> block, and
886 in the statements that follow it.  The difference is that <literal>let</literal> is non-monadic,
887 while <literal>rec</literal> is monadic.  (In Haskell <literal>let</literal> is 
888 really <literal>letrec</literal>, of course.)
889 </para>
890 <para>
891 The static and dynamic semantics of <literal>rec</literal> can be described as follows:  
892 <itemizedlist>
893 <listitem><para>
894 First,
895 similar to let-bindings, the <literal>rec</literal> is broken into 
896 minimal recursive groups, a process known as <emphasis>segmentation</emphasis>.
897 For example:
898 <programlisting>
899 rec { a &lt;- getChar      ===>     a &lt;- getChar
900     ; b &lt;- f a c                 rec { b &lt;- f a c
901     ; c &lt;- f b a                     ; c &lt;- f b a }
902     ; putChar c }                putChar c 
903 </programlisting>
904 The details of segmentation are described in Section 3.2 of
905 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/">A recursive do for Haskell</ulink>.
906 Segmentation improves polymorphism, reduces the size of the recursive "knot", and, as the paper 
907 describes, also has a semantic effect (unless the monad satisfies the right-shrinking law).
908 </para></listitem>
909 <listitem><para>
910 Then each resulting <literal>rec</literal> is desugared, using a call to <literal>Control.Monad.Fix.mfix</literal>.
911 For example, the <literal>rec</literal> group in the preceding example is desugared like this:
912 <programlisting>
913 rec { b &lt;- f a c     ===>    (b,c) &lt;- mfix (\~(b,c) -> do { b &lt;- f a c
914     ; c &lt;- f b a }                                        ; c &lt;- f b a
915                                                           ; return (b,c) })
916 </programlisting>
917 In general, the statment <literal>rec <replaceable>ss</replaceable></literal>
918 is desugared to the statement
919 <programlisting>
920 <replaceable>vs</replaceable> &lt;- mfix (\~<replaceable>vs</replaceable> -&gt; do { <replaceable>ss</replaceable>; return <replaceable>vs</replaceable> })
921 </programlisting>
922 where <replaceable>vs</replaceable> is a tuple of the variables bound by <replaceable>ss</replaceable>.
923 </para><para>
924 The original <literal>rec</literal> typechecks exactly 
925 when the above desugared version would do so.  For example, this means that 
926 the variables <replaceable>vs</replaceable> are all monomorphic in the statements
927 following the <literal>rec</literal>, because they are bound by a lambda.
928 </para>
929 <para>
930 The <literal>mfix</literal> function is defined in the <literal>MonadFix</literal> 
931 class, in <literal>Control.Monad.Fix</literal>, thus:
932 <programlisting>
933 class Monad m => MonadFix m where
934    mfix :: (a -> m a) -> m a
935 </programlisting>
936 </para>
937 </listitem>
938 </itemizedlist>
939 </para>
940 <para>
941 Here are some other important points in using the recursive-do notation:
942 <itemizedlist>
943 <listitem><para>
944 It is enabled with the flag <literal>-XDoRec</literal>, which is in turn implied by
945 <literal>-fglasgow-exts</literal>.
946 </para></listitem>
947
948 <listitem><para>
949 If recursive bindings are required for a monad,
950 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
951 </para></listitem>
952
953 <listitem><para>
954 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
955 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
956 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
957 </para></listitem>
958
959 <listitem><para>
960 Like <literal>let</literal> and <literal>where</literal> bindings,
961 name shadowing is not allowed within a <literal>rec</literal>; 
962 that is, all the names bound in a single <literal>rec</literal> must
963 be distinct (Section 3.3 of the paper).
964 </para></listitem>
965 <listitem><para>
966 It supports rebindable syntax (see <xref linkend="rebindable-syntax"/>).
967 </para></listitem>
968 </itemizedlist>
969 </para>
970 </sect3>
971
972 <sect3 id="mdo-notation"> <title> Mdo-notation (deprecated) </title>
973
974 <para> GHC used to support the flag <option>-XRecursiveDo</option>,
975 which enabled the keyword <literal>mdo</literal>, precisely as described in
976 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/">A recursive do for Haskell</ulink>,
977 but this is now deprecated.  Instead of <literal>mdo { Q; e }</literal>, write
978 <literal>do { rec Q; e }</literal>.
979 </para>
980 <para>
981 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
982 of the existing documents) used the name
983 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
984 This name is not supported by GHC.
985 </para>
986 </sect3>
987
988 </sect2>
989
990
991    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
992
993   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
994     <title>Parallel List Comprehensions</title>
995     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
996     </indexterm>
997     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
998     </indexterm>
999
1000     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
1001     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
1002     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
1003     extend this to include the zipWith family.</para>
1004
1005     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
1006     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
1007     example, the following zips together two lists:</para>
1008
1009 <programlisting>
1010    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
1011 </programlisting>
1012
1013     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
1014     zip, in that the resulting list will have the same length as the
1015     shortest branch.</para>
1016
1017     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
1018     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
1019
1020     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
1021
1022 <programlisting>
1023    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
1024        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
1025        ... 
1026    ] 
1027 </programlisting>
1028
1029     <para>This will be translated to: </para>
1030
1031 <programlisting>
1032    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
1033                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
1034                                          ... 
1035    ] 
1036 </programlisting>
1037
1038     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
1039     branches.</para>
1040
1041   </sect2>
1042   
1043   <!-- ===================== TRANSFORM LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
1044
1045   <sect2 id="generalised-list-comprehensions">
1046     <title>Generalised (SQL-Like) List Comprehensions</title>
1047     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>generalised</secondary>
1048     </indexterm>
1049     <indexterm><primary>extended list comprehensions</primary>
1050     </indexterm>
1051     <indexterm><primary>group</primary></indexterm>
1052     <indexterm><primary>sql</primary></indexterm>
1053
1054
1055     <para>Generalised list comprehensions are a further enhancement to the
1056     list comprehension syntactic sugar to allow operations such as sorting
1057     and grouping which are familiar from SQL.   They are fully described in the
1058         paper <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/list-comp">
1059           Comprehensive comprehensions: comprehensions with "order by" and "group by"</ulink>,
1060     except that the syntax we use differs slightly from the paper.</para>
1061 <para>The extension is enabled with the flag <option>-XTransformListComp</option>.</para>
1062 <para>Here is an example: 
1063 <programlisting>
1064 employees = [ ("Simon", "MS", 80)
1065 , ("Erik", "MS", 100)
1066 , ("Phil", "Ed", 40)
1067 , ("Gordon", "Ed", 45)
1068 , ("Paul", "Yale", 60)]
1069
1070 output = [ (the dept, sum salary)
1071 | (name, dept, salary) &lt;- employees
1072 , then group by dept
1073 , then sortWith by (sum salary)
1074 , then take 5 ]
1075 </programlisting>
1076 In this example, the list <literal>output</literal> would take on 
1077     the value:
1078     
1079 <programlisting>
1080 [("Yale", 60), ("Ed", 85), ("MS", 180)]
1081 </programlisting>
1082 </para>
1083 <para>There are three new keywords: <literal>group</literal>, <literal>by</literal>, and <literal>using</literal>.
1084 (The function <literal>sortWith</literal> is not a keyword; it is an ordinary
1085 function that is exported by <literal>GHC.Exts</literal>.)</para>
1086
1087 <para>There are five new forms of comprehension qualifier,
1088 all introduced by the (existing) keyword <literal>then</literal>:
1089     <itemizedlist>
1090     <listitem>
1091     
1092 <programlisting>
1093 then f
1094 </programlisting>
1095
1096     This statement requires that <literal>f</literal> have the type <literal>
1097     forall a. [a] -> [a]</literal>. You can see an example of its use in the
1098     motivating example, as this form is used to apply <literal>take 5</literal>.
1099     
1100     </listitem>
1101     
1102     
1103     <listitem>
1104 <para>
1105 <programlisting>
1106 then f by e
1107 </programlisting>
1108
1109     This form is similar to the previous one, but allows you to create a function
1110     which will be passed as the first argument to f. As a consequence f must have 
1111     the type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [a]</literal>. As you can see
1112     from the type, this function lets f &quot;project out&quot; some information 
1113     from the elements of the list it is transforming.</para>
1114
1115     <para>An example is shown in the opening example, where <literal>sortWith</literal> 
1116     is supplied with a function that lets it find out the <literal>sum salary</literal> 
1117     for any item in the list comprehension it transforms.</para>
1118
1119     </listitem>
1120
1121
1122     <listitem>
1123
1124 <programlisting>
1125 then group by e using f
1126 </programlisting>
1127
1128     <para>This is the most general of the grouping-type statements. In this form,
1129     f is required to have type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [[a]]</literal>.
1130     As with the <literal>then f by e</literal> case above, the first argument
1131     is a function supplied to f by the compiler which lets it compute e on every
1132     element of the list being transformed. However, unlike the non-grouping case,
1133     f additionally partitions the list into a number of sublists: this means that
1134     at every point after this statement, binders occurring before it in the comprehension
1135     refer to <emphasis>lists</emphasis> of possible values, not single values. To help understand
1136     this, let's look at an example:</para>
1137     
1138 <programlisting>
1139 -- This works similarly to groupWith in GHC.Exts, but doesn't sort its input first
1140 groupRuns :: Eq b => (a -> b) -> [a] -> [[a]]
1141 groupRuns f = groupBy (\x y -> f x == f y)
1142
1143 output = [ (the x, y)
1144 | x &lt;- ([1..3] ++ [1..2])
1145 , y &lt;- [4..6]
1146 , then group by x using groupRuns ]
1147 </programlisting>
1148
1149     <para>This results in the variable <literal>output</literal> taking on the value below:</para>
1150
1151 <programlisting>
1152 [(1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6]), (3, [4, 5, 6]), (1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6])]
1153 </programlisting>
1154
1155     <para>Note that we have used the <literal>the</literal> function to change the type 
1156     of x from a list to its original numeric type. The variable y, in contrast, is left 
1157     unchanged from the list form introduced by the grouping.</para>
1158
1159     </listitem>
1160
1161     <listitem>
1162
1163 <programlisting>
1164 then group by e
1165 </programlisting>
1166
1167     <para>This form of grouping is essentially the same as the one described above. However,
1168     since no function to use for the grouping has been supplied it will fall back on the
1169     <literal>groupWith</literal> function defined in 
1170     <ulink url="&libraryBaseLocation;/GHC-Exts.html"><literal>GHC.Exts</literal></ulink>. This
1171     is the form of the group statement that we made use of in the opening example.</para>
1172
1173     </listitem>
1174     
1175     
1176     <listitem>
1177
1178 <programlisting>
1179 then group using f
1180 </programlisting>
1181
1182     <para>With this form of the group statement, f is required to simply have the type
1183     <literal>forall a. [a] -> [[a]]</literal>, which will be used to group up the
1184     comprehension so far directly. An example of this form is as follows:</para>
1185     
1186 <programlisting>
1187 output = [ x
1188 | y &lt;- [1..5]
1189 , x &lt;- "hello"
1190 , then group using inits]
1191 </programlisting>
1192
1193     <para>This will yield a list containing every prefix of the word "hello" written out 5 times:</para>
1194
1195 <programlisting>
1196 ["","h","he","hel","hell","hello","helloh","hellohe","hellohel","hellohell","hellohello","hellohelloh",...]
1197 </programlisting>
1198
1199     </listitem>
1200 </itemizedlist>
1201 </para>
1202   </sect2>
1203
1204    <!-- ===================== REBINDABLE SYNTAX ===================  -->
1205
1206 <sect2 id="rebindable-syntax">
1207 <title>Rebindable syntax and the implicit Prelude import</title>
1208
1209  <para><indexterm><primary>-XNoImplicitPrelude
1210  option</primary></indexterm> GHC normally imports
1211  <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
1212  rather it didn't, then give it a
1213  <option>-XNoImplicitPrelude</option> option.  The idea is
1214  that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
1215  call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
1216  namespace is flat, and you must not conflict with any
1217  Prelude module.)</para>
1218
1219             <para>Suppose you are importing a Prelude of your own
1220               in order to define your own numeric class
1221             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
1222             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
1223             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
1224             So the <option>-XRebindableSyntax</option> 
1225               flag causes
1226             the following pieces of built-in syntax to refer to
1227             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
1228             versions:
1229             <itemizedlist>
1230               <listitem>
1231                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
1232                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
1233                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
1234 </para> </listitem>         
1235
1236       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
1237           except that the translation is 
1238               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
1239 </para> </listitem>         
1240
1241           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
1242               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
1243 </para> </listitem>         
1244
1245           <listitem><para>The subtraction operation, and the
1246           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
1247               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
1248               </para></listitem>
1249
1250               <listitem>
1251                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
1252                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
1253                 patterns, and expressions.
1254               </para></listitem>
1255
1256               <listitem>
1257                 <para>Conditionals (e.g. "<literal>if</literal> e1 <literal>then</literal> e2 <literal>else</literal> e3")
1258                 means "<literal>ifThenElse</literal> e1 e2 e3".  However <literal>case</literal> expressions are unaffected.
1259               </para></listitem>
1260
1261               <listitem>
1262           <para>"Do" notation is translated using whatever
1263               functions <literal>(>>=)</literal>,
1264               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
1265               are in scope (not the Prelude
1266               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
1267               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
1268
1269               <listitem>
1270                 <para>Arrow
1271                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
1272                 uses whatever <literal>arr</literal>,
1273                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
1274                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
1275                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
1276                 other constructs, the types of these functions must match the
1277                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
1278                 to use this, ask!
1279               </para></listitem>
1280             </itemizedlist>
1281 <option>-XRebindableSyntax</option> implies <option>-XNoImplicitPrelude</option>.
1282 </para>
1283 <para>
1284 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
1285 even if that is a little unexpected. For example, the 
1286 static semantics of the literal <literal>368</literal>
1287 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
1288 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
1289 <programlisting>
1290 fromInteger :: Integer -> Integer
1291 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
1292 fromInteger :: Num a => a -> Integer
1293 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
1294 </programlisting>
1295 </para>
1296                 
1297              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
1298              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
1299              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
1300              you should be all right.</para>
1301
1302 </sect2>
1303
1304 <sect2 id="postfix-operators">
1305 <title>Postfix operators</title>
1306
1307 <para>
1308   The <option>-XPostfixOperators</option> flag enables a small
1309 extension to the syntax of left operator sections, which allows you to
1310 define postfix operators.  The extension is this: the left section
1311 <programlisting>
1312   (e !)
1313 </programlisting>
1314 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
1315 <programlisting>
1316   ((!) e)
1317 </programlisting>
1318 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
1319 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
1320 <programlisting>
1321   (\y -> (!) e y)
1322 </programlisting>
1323 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
1324 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
1325 postfix.
1326 </para>
1327 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
1328 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
1329
1330 </sect2>
1331
1332 <sect2 id="tuple-sections">
1333 <title>Tuple sections</title>
1334
1335 <para>
1336   The <option>-XTupleSections</option> flag enables Python-style partially applied
1337   tuple constructors. For example, the following program
1338 <programlisting>
1339   (, True)
1340 </programlisting>
1341   is considered to be an alternative notation for the more unwieldy alternative
1342 <programlisting>
1343   \x -> (x, True)
1344 </programlisting>
1345 You can omit any combination of arguments to the tuple, as in the following
1346 <programlisting>
1347   (, "I", , , "Love", , 1337)
1348 </programlisting>
1349 which translates to
1350 <programlisting>
1351   \a b c d -> (a, "I", b, c, "Love", d, 1337)
1352 </programlisting>
1353 </para>
1354
1355 <para>
1356   If you have <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link> enabled, tuple sections
1357   will also be available for them, like so
1358 <programlisting>
1359   (# , True #)
1360 </programlisting>
1361 Because there is no unboxed unit tuple, the following expression
1362 <programlisting>
1363   (# #)
1364 </programlisting>
1365 continues to stand for the unboxed singleton tuple data constructor.
1366 </para>
1367
1368 </sect2>
1369
1370 <sect2 id="disambiguate-fields">
1371 <title>Record field disambiguation</title>
1372 <para>
1373 In record construction and record pattern matching
1374 it is entirely unambiguous which field is referred to, even if there are two different
1375 data types in scope with a common field name.  For example:
1376 <programlisting>
1377 module M where
1378   data S = MkS { x :: Int, y :: Bool }
1379
1380 module Foo where
1381   import M
1382
1383   data T = MkT { x :: Int }
1384   
1385   ok1 (MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1386   ok2 n = MkT { x = n+1 }     -- Unambiguous
1387
1388   bad1 k = k { x = 3 }  -- Ambiguous
1389   bad2 k = x k          -- Ambiguous
1390 </programlisting>
1391 Even though there are two <literal>x</literal>'s in scope,
1392 it is clear that the <literal>x</literal> in the pattern in the
1393 definition of <literal>ok1</literal> can only mean the field
1394 <literal>x</literal> from type <literal>S</literal>. Similarly for
1395 the function <literal>ok2</literal>.  However, in the record update
1396 in <literal>bad1</literal> and the record selection in <literal>bad2</literal>
1397 it is not clear which of the two types is intended.
1398 </para>
1399 <para>
1400 Haskell 98 regards all four as ambiguous, but with the
1401 <option>-XDisambiguateRecordFields</option> flag, GHC will accept
1402 the former two.  The rules are precisely the same as those for instance
1403 declarations in Haskell 98, where the method names on the left-hand side 
1404 of the method bindings in an instance declaration refer unambiguously
1405 to the method of that class (provided they are in scope at all), even
1406 if there are other variables in scope with the same name.
1407 This reduces the clutter of qualified names when you import two
1408 records from different modules that use the same field name.
1409 </para>
1410 <para>
1411 Some details:
1412 <itemizedlist>
1413 <listitem><para>
1414 Field disambiguation can be combined with punning (see <xref linkend="record-puns"/>). For exampe:
1415 <programlisting>
1416 module Foo where
1417   import M
1418   x=True
1419   ok3 (MkS { x }) = x+1   -- Uses both disambiguation and punning
1420 </programlisting>
1421 </para></listitem>
1422
1423 <listitem><para>
1424 With <option>-XDisambiguateRecordFields</option> you can use <emphasis>unqualifed</emphasis>
1425 field names even if the correponding selector is only in scope <emphasis>qualified</emphasis>
1426 For example, assuming the same module <literal>M</literal> as in our earlier example, this is legal:
1427 <programlisting>
1428 module Foo where
1429   import qualified M    -- Note qualified
1430
1431   ok4 (M.MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1432 </programlisting>
1433 Since the constructore <literal>MkS</literal> is only in scope qualified, you must
1434 name it <literal>M.MkS</literal>, but the field <literal>x</literal> does not need
1435 to be qualified even though <literal>M.x</literal> is in scope but <literal>x</literal>
1436 is not.  (In effect, it is qualified by the constructor.)
1437 </para></listitem>
1438 </itemizedlist>
1439 </para>
1440
1441 </sect2>
1442
1443     <!-- ===================== Record puns ===================  -->
1444
1445 <sect2 id="record-puns">
1446 <title>Record puns
1447 </title>
1448
1449 <para>
1450 Record puns are enabled by the flag <literal>-XNamedFieldPuns</literal>.
1451 </para>
1452
1453 <para>
1454 When using records, it is common to write a pattern that binds a
1455 variable with the same name as a record field, such as:
1456
1457 <programlisting>
1458 data C = C {a :: Int}
1459 f (C {a = a}) = a
1460 </programlisting>
1461 </para>
1462
1463 <para>
1464 Record punning permits the variable name to be elided, so one can simply
1465 write
1466
1467 <programlisting>
1468 f (C {a}) = a
1469 </programlisting>
1470
1471 to mean the same pattern as above.  That is, in a record pattern, the
1472 pattern <literal>a</literal> expands into the pattern <literal>a =
1473 a</literal> for the same name <literal>a</literal>.  
1474 </para>
1475
1476 <para>
1477 Note that:
1478 <itemizedlist>
1479 <listitem><para>
1480 Record punning can also be used in an expression, writing, for example,
1481 <programlisting>
1482 let a = 1 in C {a}
1483 </programlisting>
1484 instead of 
1485 <programlisting>
1486 let a = 1 in C {a = a}
1487 </programlisting>
1488 The expansion is purely syntactic, so the expanded right-hand side
1489 expression refers to the nearest enclosing variable that is spelled the
1490 same as the field name.
1491 </para></listitem>
1492
1493 <listitem><para>
1494 Puns and other patterns can be mixed in the same record:
1495 <programlisting>
1496 data C = C {a :: Int, b :: Int}
1497 f (C {a, b = 4}) = a
1498 </programlisting>
1499 </para></listitem>
1500
1501 <listitem><para>
1502 Puns can be used wherever record patterns occur (e.g. in
1503 <literal>let</literal> bindings or at the top-level).  
1504 </para></listitem>
1505
1506 <listitem><para>
1507 A pun on a qualified field name is expanded by stripping off the module qualifier.
1508 For example:
1509 <programlisting>
1510 f (C {M.a}) = a
1511 </programlisting>
1512 means
1513 <programlisting>
1514 f (M.C {M.a = a}) = a
1515 </programlisting>
1516 (This is useful if the field selector <literal>a</literal> for constructor <literal>M.C</literal>
1517 is only in scope in qualified form.)
1518 </para></listitem>
1519 </itemizedlist>
1520 </para>
1521
1522
1523 </sect2>
1524
1525     <!-- ===================== Record wildcards ===================  -->
1526
1527 <sect2 id="record-wildcards">
1528 <title>Record wildcards
1529 </title>
1530
1531 <para>
1532 Record wildcards are enabled by the flag <literal>-XRecordWildCards</literal>.
1533 This flag implies <literal>-XDisambiguateRecordFields</literal>.
1534 </para>
1535
1536 <para>
1537 For records with many fields, it can be tiresome to write out each field
1538 individually in a record pattern, as in
1539 <programlisting>
1540 data C = C {a :: Int, b :: Int, c :: Int, d :: Int}
1541 f (C {a = 1, b = b, c = c, d = d}) = b + c + d
1542 </programlisting>
1543 </para>
1544
1545 <para>
1546 Record wildcard syntax permits a "<literal>..</literal>" in a record
1547 pattern, where each elided field <literal>f</literal> is replaced by the
1548 pattern <literal>f = f</literal>.  For example, the above pattern can be
1549 written as
1550 <programlisting>
1551 f (C {a = 1, ..}) = b + c + d
1552 </programlisting>
1553 </para>
1554
1555 <para>
1556 More details:
1557 <itemizedlist>
1558 <listitem><para>
1559 Wildcards can be mixed with other patterns, including puns
1560 (<xref linkend="record-puns"/>); for example, in a pattern <literal>C {a
1561 = 1, b, ..})</literal>.  Additionally, record wildcards can be used
1562 wherever record patterns occur, including in <literal>let</literal>
1563 bindings and at the top-level.  For example, the top-level binding
1564 <programlisting>
1565 C {a = 1, ..} = e
1566 </programlisting>
1567 defines <literal>b</literal>, <literal>c</literal>, and
1568 <literal>d</literal>.
1569 </para></listitem>
1570
1571 <listitem><para>
1572 Record wildcards can also be used in expressions, writing, for example,
1573 <programlisting>
1574 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {..}
1575 </programlisting>
1576 in place of
1577 <programlisting>
1578 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {a=a, b=b, c=c, d=d}
1579 </programlisting>
1580 The expansion is purely syntactic, so the record wildcard
1581 expression refers to the nearest enclosing variables that are spelled
1582 the same as the omitted field names.
1583 </para></listitem>
1584
1585 <listitem><para>
1586 The "<literal>..</literal>" expands to the missing 
1587 <emphasis>in-scope</emphasis> record fields, where "in scope"
1588 includes both unqualified and qualified-only.  
1589 Any fields that are not in scope are not filled in.  For example
1590 <programlisting>
1591 module M where
1592   data R = R { a,b,c :: Int }
1593 module X where
1594   import qualified M( R(a,b) )
1595   f a b = R { .. }
1596 </programlisting>
1597 The <literal>{..}</literal> expands to <literal>{M.a=a,M.b=b}</literal>,
1598 omitting <literal>c</literal> since it is not in scope at all.
1599 </para></listitem>
1600 </itemizedlist>
1601 </para>
1602
1603 </sect2>
1604
1605     <!-- ===================== Local fixity declarations ===================  -->
1606
1607 <sect2 id="local-fixity-declarations">
1608 <title>Local Fixity Declarations
1609 </title>
1610
1611 <para>A careful reading of the Haskell 98 Report reveals that fixity
1612 declarations (<literal>infix</literal>, <literal>infixl</literal>, and
1613 <literal>infixr</literal>) are permitted to appear inside local bindings
1614 such those introduced by <literal>let</literal> and
1615 <literal>where</literal>.  However, the Haskell Report does not specify
1616 the semantics of such bindings very precisely.
1617 </para>
1618
1619 <para>In GHC, a fixity declaration may accompany a local binding:
1620 <programlisting>
1621 let f = ...
1622     infixr 3 `f`
1623 in 
1624     ...
1625 </programlisting>
1626 and the fixity declaration applies wherever the binding is in scope.
1627 For example, in a <literal>let</literal>, it applies in the right-hand
1628 sides of other <literal>let</literal>-bindings and the body of the
1629 <literal>let</literal>C. Or, in recursive <literal>do</literal>
1630 expressions (<xref linkend="recursive-do-notation"/>), the local fixity
1631 declarations of a <literal>let</literal> statement scope over other
1632 statements in the group, just as the bound name does.
1633 </para>
1634
1635 <para>
1636 Moreover, a local fixity declaration *must* accompany a local binding of
1637 that name: it is not possible to revise the fixity of name bound
1638 elsewhere, as in
1639 <programlisting>
1640 let infixr 9 $ in ...
1641 </programlisting>
1642
1643 Because local fixity declarations are technically Haskell 98, no flag is
1644 necessary to enable them.
1645 </para>
1646 </sect2>
1647
1648 <sect2 id="package-imports">
1649   <title>Package-qualified imports</title>
1650
1651   <para>With the <option>-XPackageImports</option> flag, GHC allows
1652   import declarations to be qualified by the package name that the
1653     module is intended to be imported from.  For example:</para>
1654
1655 <programlisting>
1656 import "network" Network.Socket
1657 </programlisting>
1658   
1659   <para>would import the module <literal>Network.Socket</literal> from
1660     the package <literal>network</literal> (any version).  This may
1661     be used to disambiguate an import when the same module is
1662     available from multiple packages, or is present in both the
1663     current package being built and an external package.</para>
1664
1665   <para>Note: you probably don't need to use this feature, it was
1666     added mainly so that we can build backwards-compatible versions of
1667     packages when APIs change.  It can lead to fragile dependencies in
1668     the common case: modules occasionally move from one package to
1669     another, rendering any package-qualified imports broken.</para>
1670 </sect2>
1671
1672 <sect2 id="syntax-stolen">
1673 <title>Summary of stolen syntax</title>
1674
1675     <para>Turning on an option that enables special syntax
1676     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
1677     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
1678     become a reserved word.  This section lists the syntax that is
1679     "stolen" by language extensions.
1680      We use
1681     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
1682     (see the Haskell 98 Report).  
1683     We only list syntax changes here that might affect
1684     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
1685     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
1686     cases programs written to use the new syntax would not be
1687     compilable without the option enabled.</para>
1688
1689 <para>There are two classes of special
1690     syntax:
1691
1692     <itemizedlist>
1693       <listitem>
1694         <para>New reserved words and symbols: character sequences
1695         which are no longer available for use as identifiers in the
1696         program.</para>
1697       </listitem>
1698       <listitem>
1699         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
1700         a different meaning when this particular option is turned
1701         on.</para>
1702       </listitem>
1703     </itemizedlist>
1704     
1705 The following syntax is stolen:
1706
1707     <variablelist>
1708       <varlistentry>
1709         <term>
1710           <literal>forall</literal>
1711           <indexterm><primary><literal>forall</literal></primary></indexterm>
1712         </term>
1713         <listitem><para>
1714         Stolen (in types) by: <option>-XExplicitForAll</option>, and hence by
1715             <option>-XScopedTypeVariables</option>,
1716             <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
1717             <option>-XRank2Types</option>,
1718             <option>-XRankNTypes</option>,
1719             <option>-XPolymorphicComponents</option>,
1720             <option>-XExistentialQuantification</option>
1721           </para></listitem>
1722       </varlistentry>
1723
1724       <varlistentry>
1725         <term>
1726           <literal>mdo</literal>
1727           <indexterm><primary><literal>mdo</literal></primary></indexterm>
1728         </term>
1729         <listitem><para>
1730         Stolen by: <option>-XRecursiveDo</option>,
1731           </para></listitem>
1732       </varlistentry>
1733
1734       <varlistentry>
1735         <term>
1736           <literal>foreign</literal>
1737           <indexterm><primary><literal>foreign</literal></primary></indexterm>
1738         </term>
1739         <listitem><para>
1740         Stolen by: <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
1741           </para></listitem>
1742       </varlistentry>
1743
1744       <varlistentry>
1745         <term>
1746           <literal>rec</literal>,
1747           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
1748           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
1749           <literal>&gt;&gt;-</literal>, and <literal>(|</literal>,
1750           <literal>|)</literal> brackets
1751           <indexterm><primary><literal>proc</literal></primary></indexterm>
1752         </term>
1753         <listitem><para>
1754         Stolen by: <option>-XArrows</option>,
1755           </para></listitem>
1756       </varlistentry>
1757
1758       <varlistentry>
1759         <term>
1760           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
1761           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>
1762           <indexterm><primary>implicit parameters</primary></indexterm>
1763         </term>
1764         <listitem><para>
1765         Stolen by: <option>-XImplicitParams</option>,
1766           </para></listitem>
1767       </varlistentry>
1768
1769       <varlistentry>
1770         <term>
1771           <literal>[|</literal>,
1772           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
1773           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
1774           <literal>$(</literal>,
1775           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>
1776           <indexterm><primary>Template Haskell</primary></indexterm>
1777         </term>
1778         <listitem><para>
1779         Stolen by: <option>-XTemplateHaskell</option>,
1780           </para></listitem>
1781       </varlistentry>
1782
1783       <varlistentry>
1784         <term>
1785           <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>|</literal>
1786           <indexterm><primary>quasi-quotation</primary></indexterm>
1787         </term>
1788         <listitem><para>
1789         Stolen by: <option>-XQuasiQuotes</option>,
1790           </para></listitem>
1791       </varlistentry>
1792
1793       <varlistentry>
1794         <term>
1795               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
1796               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
1797               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1798               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1799               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1800               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
1801               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
1802         </term>
1803         <listitem><para>
1804         Stolen by: <option>-XMagicHash</option>,
1805           </para></listitem>
1806       </varlistentry>
1807     </variablelist>
1808 </para>
1809 </sect2>
1810 </sect1>
1811
1812
1813 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
1814 <sect1 id="data-type-extensions">
1815 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
1816
1817 <sect2 id="nullary-types">
1818 <title>Data types with no constructors</title>
1819
1820 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
1821 a data type with no constructors.  For example:</para>
1822
1823 <programlisting>
1824   data S      -- S :: *
1825   data T a    -- T :: * -> *
1826 </programlisting>
1827
1828 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
1829 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
1830 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
1831 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
1832
1833 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
1834 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
1835 </sect2>
1836
1837 <sect2 id="datatype-contexts">
1838 <title>Data type contexts</title>
1839
1840 <para>Haskell allows datatypes to be given contexts, e.g.</para>
1841
1842 <programlisting>
1843 data Eq a => Set a = NilSet | ConsSet a (Set a)
1844 </programlisting>
1845
1846 <para>give constructors with types:</para>
1847
1848 <programlisting>
1849 NilSet :: Set a
1850 ConsSet :: Eq a => a -> Set a -> Set a
1851 </programlisting>
1852
1853 <para>In GHC this feature is an extension called
1854 <literal>DatatypeContexts</literal>, and on by default.</para>
1855 </sect2>
1856
1857 <sect2 id="infix-tycons">
1858 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
1859
1860 <para>
1861 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
1862 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
1863 <itemizedlist>
1864 <listitem><para>
1865   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
1866   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
1867   </para></listitem>
1868 <listitem><para>
1869   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
1870   if you want further arguments.  E.g.
1871 <screen>
1872   data a :*: b = Foo a b
1873   type a :+: b = Either a b
1874   class a :=: b where ...
1875
1876   data (a :**: b) x = Baz a b x
1877   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
1878 </screen>
1879   </para></listitem>
1880 <listitem><para>
1881   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
1882   <screen>
1883         x :: Int :*: Bool
1884         f :: (a :=: b) => a -> b
1885   </screen>
1886   </para></listitem>
1887 <listitem><para>
1888   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1889   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1890   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1891   parenthesised.  For example:
1892 <programlisting>
1893    type T (+) = Int + Int
1894    f :: T Either
1895    f = Left 3
1896  
1897    liftA2 :: Arrow (~>)
1898           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1899    liftA2 = ...
1900 </programlisting>
1901   </para></listitem>
1902 <listitem><para>
1903   Back-quotes work
1904   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1905   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1906   </para></listitem>
1907 <listitem><para>
1908   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1909   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1910   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1911 <screen>
1912   infixl 7 T, :*:
1913 </screen>
1914   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1915   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1916   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1917   </para></listitem>
1918 <listitem><para>
1919   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1920   </para></listitem>
1921
1922 </itemizedlist>
1923 </para>
1924 </sect2>
1925
1926 <sect2 id="type-synonyms">
1927 <title>Liberalised type synonyms</title>
1928
1929 <para>
1930 Type synonyms are like macros at the type level, but Haskell 98 imposes many rules
1931 on individual synonym declarations.
1932 With the <option>-XLiberalTypeSynonyms</option> extension,
1933 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1934 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98. 
1935
1936 <itemizedlist>
1937 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1938 in a type synonym, thus:
1939 <programlisting>
1940   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1941
1942   f :: Discard a
1943   f x y = (x, show y)
1944
1945   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1946   g f = f 3 True
1947 </programlisting>
1948 </para>
1949 </listitem>
1950
1951 <listitem><para>
1952 If you also use <option>-XUnboxedTuples</option>, 
1953 you can write an unboxed tuple in a type synonym:
1954 <programlisting>
1955   type Pr = (# Int, Int #)
1956
1957   h :: Int -> Pr
1958   h x = (# x, x #)
1959 </programlisting>
1960 </para></listitem>
1961
1962 <listitem><para>
1963 You can apply a type synonym to a forall type:
1964 <programlisting>
1965   type Foo a = a -> a -> Bool
1966  
1967   f :: Foo (forall b. b->b)
1968 </programlisting>
1969 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1970 <programlisting>
1971   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1972 </programlisting>
1973 </para></listitem>
1974
1975 <listitem><para>
1976 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1977 <programlisting>
1978   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1979   type Id x = x
1980   
1981   foo :: Generic Id []
1982 </programlisting>
1983 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1984 <programlisting>
1985   foo :: forall x. x -> [x]
1986 </programlisting>
1987 </para></listitem>
1988
1989 </itemizedlist>
1990 </para>
1991
1992 <para>
1993 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1994 could be changed.)
1995 </para>
1996 <para>
1997 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1998 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1999 <itemizedlist>
2000 <listitem><para>
2001 Type constructor applied to a type involving for-alls.
2002 </para></listitem>
2003 <listitem><para>
2004 Unboxed tuple on left of an arrow.
2005 </para></listitem>
2006 <listitem><para>
2007 Partially-applied type synonym.
2008 </para></listitem>
2009 </itemizedlist>
2010 So, for example,
2011 this will be rejected:
2012 <programlisting>
2013   type Pr = (# Int, Int #)
2014
2015   h :: Pr -> Int
2016   h x = ...
2017 </programlisting>
2018 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
2019 </para>
2020 </sect2>
2021
2022
2023 <sect2 id="existential-quantification">
2024 <title>Existentially quantified data constructors
2025 </title>
2026
2027 <para>
2028 The idea of using existential quantification in data type declarations
2029 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
2030 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
2031 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
2032 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
2033 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
2034 It's been in Lennart
2035 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
2036 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2037 </para>
2038
2039 <para>
2040
2041 <programlisting>
2042   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2043            | Nil
2044 </programlisting>
2045
2046 </para>
2047
2048 <para>
2049 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2050 </para>
2051
2052 <para>
2053
2054 <programlisting>
2055   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2056   Nil   :: Foo
2057 </programlisting>
2058
2059 </para>
2060
2061 <para>
2062 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2063 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2064 For example, the following expression is fine:
2065 </para>
2066
2067 <para>
2068
2069 <programlisting>
2070   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2071 </programlisting>
2072
2073 </para>
2074
2075 <para>
2076 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2077 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2078 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2079 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2080 </para>
2081
2082 <para>
2083 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2084 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2085 </para>
2086
2087 <para>
2088
2089 <programlisting>
2090   f (MkFoo val fn) = ???
2091 </programlisting>
2092
2093 </para>
2094
2095 <para>
2096 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2097 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2098 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2099 </para>
2100
2101 <para>
2102
2103 <programlisting>
2104   f :: Foo -> Bool
2105   f (MkFoo val fn) = fn val
2106 </programlisting>
2107
2108 </para>
2109
2110 <para>
2111 What this allows us to do is to package heterogeneous values
2112 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2113 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2114 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2115 </para>
2116
2117 <sect3 id="existential">
2118 <title>Why existential?
2119 </title>
2120
2121 <para>
2122 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2123 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2124 </para>
2125
2126 <para>
2127
2128 <programlisting>
2129   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2130 </programlisting>
2131
2132 </para>
2133
2134 <para>
2135 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2136 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2137 adding a new existential quantification construct.
2138 </para>
2139
2140 </sect3>
2141
2142 <sect3 id="existential-with-context">
2143 <title>Existentials and type classes</title>
2144
2145 <para>
2146 An easy extension is to allow
2147 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2148 </para>
2149
2150 <para>
2151
2152 <programlisting>
2153 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2154          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2155 </programlisting>
2156
2157 </para>
2158
2159 <para>
2160 The two constructors have the types you'd expect:
2161 </para>
2162
2163 <para>
2164
2165 <programlisting>
2166 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2167 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2168 </programlisting>
2169
2170 </para>
2171
2172 <para>
2173 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2174 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2175 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2176 So this program is legal:
2177 </para>
2178
2179 <para>
2180
2181 <programlisting>
2182   f :: Baz -> String
2183   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2184                | otherwise = "No"
2185   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2186 </programlisting>
2187
2188 </para>
2189
2190 <para>
2191 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2192 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2193 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2194 extract it on pattern matching.
2195 </para>
2196
2197 </sect3>
2198
2199 <sect3 id="existential-records">
2200 <title>Record Constructors</title>
2201
2202 <para>
2203 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
2204
2205 <programlisting>
2206 data Counter a = forall self. NewCounter
2207     { _this    :: self
2208     , _inc     :: self -> self
2209     , _display :: self -> IO ()
2210     , tag      :: a
2211     }
2212 </programlisting>
2213 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
2214 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
2215 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
2216 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
2217 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
2218 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
2219 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
2220 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
2221 </para>
2222
2223 <para>
2224 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
2225
2226 <programlisting>
2227 inc :: Counter a -> Counter a
2228 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
2229     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
2230
2231 display :: Counter a -> IO ()
2232 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
2233 </programlisting>
2234
2235 Now we can define counters with different underlying implementations:
2236
2237 <programlisting>
2238 counterA :: Counter String 
2239 counterA = NewCounter
2240     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
2241
2242 counterB :: Counter String 
2243 counterB = NewCounter
2244     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
2245
2246 main = do
2247     display (inc counterA)         -- prints "1"
2248     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
2249 </programlisting>
2250
2251 Record update syntax is supported for existentials (and GADTs):
2252 <programlisting>
2253 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
2254 setTag obj t = obj{ tag = t }
2255 </programlisting>
2256 The rule for record update is this: <emphasis>
2257 the types of the updated fields may
2258 mention only the universally-quantified type variables
2259 of the data constructor.  For GADTs, the field may mention only types
2260 that appear as a simple type-variable argument in the constructor's result
2261 type</emphasis>.  For example:
2262 <programlisting>
2263 data T a b where { T1 { f1::a, f2::b, f3::(b,c) } :: T a b } -- c is existential
2264 upd1 t x = t { f1=x }   -- OK:   upd1 :: T a b -> a' -> T a' b
2265 upd2 t x = t { f3=x }   -- BAD   (f3's type mentions c, which is
2266                         --        existentially quantified)
2267
2268 data G a b where { G1 { g1::a, g2::c } :: G a [c] }
2269 upd3 g x = g { g1=x }   -- OK:   upd3 :: G a b -> c -> G c b
2270 upd4 g x = g { g2=x }   -- BAD (f2's type mentions c, which is not a simple
2271                         --      type-variable argument in G1's result type)
2272 </programlisting>
2273 </para>
2274
2275 </sect3>
2276
2277
2278 <sect3>
2279 <title>Restrictions</title>
2280
2281 <para>
2282 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2283 constructors can be use.
2284 </para>
2285
2286 <para>
2287
2288 <itemizedlist>
2289 <listitem>
2290
2291 <para>
2292  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2293 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2294 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2295 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2296
2297
2298 <programlisting>
2299 f1 (MkFoo a f) = a
2300 </programlisting>
2301
2302
2303 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2304 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2305 ask what type <function>f1</function> has:
2306
2307
2308 <programlisting>
2309   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2310 </programlisting>
2311
2312
2313 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2314 this:
2315
2316
2317 <programlisting>
2318   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2319 </programlisting>
2320
2321
2322 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2323
2324
2325 <programlisting>
2326   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2327 </programlisting>
2328
2329
2330 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2331 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2332 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2333
2334
2335 </para>
2336 </listitem>
2337 <listitem>
2338
2339 <para>
2340 You can't pattern-match on an existentially quantified
2341 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2342 bindings. So this is illegal:
2343
2344
2345 <programlisting>
2346   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2347 </programlisting>
2348
2349 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2350
2351 <programlisting>
2352   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2353 </programlisting>
2354
2355 In general, you can only pattern-match
2356 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2357 in the patterns of a function definition.
2358
2359 The reason for this restriction is really an implementation one.
2360 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2361 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2362 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2363 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2364 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2365 annoying it is.
2366
2367 </para>
2368 </listitem>
2369 <listitem>
2370
2371 <para>
2372 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2373 declarations.  So this is illegal:
2374
2375
2376 <programlisting>
2377   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2378 </programlisting>
2379
2380
2381 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
2382 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
2383 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
2384 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
2385 You can get just the same efficiency and effect by using
2386 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
2387 there is no overloading involved, then there is more of a case for
2388 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
2389 because the <literal>data</literal> version does carry an
2390 implementation cost, but single-field existentially quantified
2391 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
2392 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
2393 are convincing reasons to change it.
2394
2395
2396 </para>
2397 </listitem>
2398 <listitem>
2399
2400 <para>
2401  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2402 data type with existentially quantified data constructors.
2403
2404 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
2405
2406 <programlisting>
2407 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2408 </programlisting>
2409
2410 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2411 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2412
2413 <programlisting>
2414 instance Eq T where
2415   (MkT a) == (MkT b) = ???
2416 </programlisting>
2417
2418 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
2419 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2420 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2421 declarations.  Define your own instances!
2422 </para>
2423 </listitem>
2424
2425 </itemizedlist>
2426
2427 </para>
2428
2429 </sect3>
2430 </sect2>
2431
2432 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
2433
2434 <sect2 id="gadt-style">
2435 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
2436
2437 <para>GHC allows you to declare an algebraic data type by 
2438 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
2439 <programlisting>
2440   data Maybe a where
2441       Nothing :: Maybe a
2442       Just    :: a -> Maybe a
2443 </programlisting>
2444 The form is called a "GADT-style declaration"
2445 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
2446 can only be declared using this form.</para>
2447 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
2448 For example, these two declarations are equivalent:
2449 <programlisting>
2450   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2451   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
2452 </programlisting>
2453 </para>
2454 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
2455 can also be declared using GADT-style syntax.
2456 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
2457 they treat class constraints on the data constructors differently.
2458 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
2459 context is made available by pattern matching.  For example:
2460 <programlisting>
2461   data Set a where
2462     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
2463
2464   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
2465   makeSet xs = MkSet (nub xs)
2466
2467   insert :: a -> Set a -> Set a
2468   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
2469                       | otherwise   = MkSet (a:as)
2470 </programlisting>
2471 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
2472 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
2473 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
2474 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
2475 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
2476 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
2477 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
2478 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
2479 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
2480 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
2481 </para>
2482 <para>
2483 For example, one possible application is to reify dictionaries:
2484 <programlisting>
2485    data NumInst a where
2486      MkNumInst :: Num a => NumInst a
2487
2488    intInst :: NumInst Int
2489    intInst = MkNumInst
2490
2491    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
2492    plus MkNumInst p q = p + q
2493 </programlisting>
2494 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
2495 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
2496 </para>
2497 <para>
2498 All this applies to constructors declared using the syntax of <xref linkend="existential-with-context"/>.
2499 For example, the <literal>NumInst</literal> data type above could equivalently be declared 
2500 like this:
2501 <programlisting>
2502    data NumInst a 
2503       = Num a => MkNumInst (NumInst a)
2504 </programlisting>
2505 Notice that, unlike the situation when declaring an existential, there is 
2506 no <literal>forall</literal>, because the <literal>Num</literal> constrains the
2507 data type's universally quantified type variable <literal>a</literal>.  
2508 A constructor may have both universal and existential type variables: for example,
2509 the following two declarations are equivalent:
2510 <programlisting>
2511    data T1 a 
2512         = forall b. (Num a, Eq b) => MkT1 a b
2513    data T2 a where
2514         MkT2 :: (Num a, Eq b) => a -> b -> T2 a
2515 </programlisting>
2516 </para>
2517 <para>All this behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treatment of 
2518 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
2519 In Haskell 98 the definition
2520 <programlisting>
2521   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
2522 </programlisting>
2523 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
2524 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
2525 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
2526 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
2527 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.
2528 </para>
2529
2530 <para>
2531 The rest of this section gives further details about GADT-style data
2532 type declarations.
2533
2534 <itemizedlist>
2535 <listitem><para>
2536 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
2537 If the result type of all constructors 
2538 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
2539 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
2540 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
2541 </para></listitem>
2542
2543 <listitem><para>
2544 As with other type signatures, you can give a single signature for several data constructors.
2545 In this example we give a single signature for <literal>T1</literal> and <literal>T2</literal>:
2546 <programlisting>
2547   data T a where
2548     T1,T2 :: a -> T a
2549     T3 :: T a
2550 </programlisting>
2551 </para></listitem>
2552
2553 <listitem><para>
2554 The type signature of
2555 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
2556 In particular, the type variable(s) in the "<literal>data T a where</literal>" header 
2557 have no scope, and different constructors may have different universally-quantified type variables:
2558 <programlisting>
2559   data T a where        -- The 'a' has no scope
2560     T1,T2 :: b -> T b   -- Means forall b. b -> T b
2561     T3 :: T a           -- Means forall a. T a
2562 </programlisting>
2563 </para></listitem>
2564
2565 <listitem><para>
2566 A constructor signature may mention type class constraints, which can differ for
2567 different constructors.  For example, this is fine:
2568 <programlisting>
2569   data T a where
2570     T1 :: Eq b => b -> b -> T b
2571     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
2572 </programlisting>
2573 When patten matching, these constraints are made available to discharge constraints
2574 in the body of the match. For example:
2575 <programlisting>
2576   f :: T a -> String
2577   f (T1 x y) | x==y      = "yes"
2578              | otherwise = "no"
2579   f (T2 a b)             = show a
2580 </programlisting>
2581 Note that <literal>f</literal> is not overloaded; the <literal>Eq</literal> constraint arising
2582 from the use of <literal>==</literal> is discharged by the pattern match on <literal>T1</literal>
2583 and similarly the <literal>Show</literal> constraint arising from the use of <literal>show</literal>.
2584 </para></listitem>
2585
2586 <listitem><para>
2587 Unlike a Haskell-98-style 
2588 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
2589 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
2590 <programlisting>
2591   data Set :: * -> * where ...
2592 </programlisting>
2593 or even a mixture of the two:
2594 <programlisting>
2595   data Bar a :: (* -> *) -> * where ...
2596 </programlisting>
2597 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
2598 like this:
2599 <programlisting>
2600   data Bar a (b :: * -> *) where ...
2601 </programlisting>
2602 </para></listitem>
2603
2604
2605 <listitem><para>
2606 You can use strictness annotations, in the obvious places
2607 in the constructor type:
2608 <programlisting>
2609   data Term a where
2610       Lit    :: !Int -> Term Int
2611       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
2612       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2613 </programlisting>
2614 </para></listitem>
2615
2616 <listitem><para>
2617 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
2618 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
2619 <programlisting>
2620   data Maybe1 a where {
2621       Nothing1 :: Maybe1 a ;
2622       Just1    :: a -> Maybe1 a
2623     } deriving( Eq, Ord )
2624
2625   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
2626        deriving( Eq, Ord )
2627 </programlisting>
2628 </para></listitem>
2629
2630 <listitem><para>
2631 The type signature may have quantified type variables that do not appear
2632 in the result type:
2633 <programlisting>
2634   data Foo where
2635      MkFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo
2636      Nil   :: Foo
2637 </programlisting>
2638 Here the type variable <literal>a</literal> does not appear in the result type
2639 of either constructor.  
2640 Although it is universally quantified in the type of the constructor, such
2641 a type variable is often called "existential".  
2642 Indeed, the above declaration declares precisely the same type as 
2643 the <literal>data Foo</literal> in <xref linkend="existential-quantification"/>.
2644 </para><para>
2645 The type may contain a class context too, of course:
2646 <programlisting>
2647   data Showable where
2648     MkShowable :: Show a => a -> Showable
2649 </programlisting>
2650 </para></listitem>
2651
2652 <listitem><para>
2653 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
2654
2655 <programlisting>
2656   data Person where
2657       Adult :: { name :: String, children :: [Person] } -> Person
2658       Child :: Show a => { name :: !String, funny :: a } -> Person
2659 </programlisting>
2660 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
2661 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
2662 The <literal>Child</literal> constructor above shows that the signature
2663 may have a context, existentially-quantified variables, and strictness annotations, 
2664 just as in the non-record case.  (NB: the "type" that follows the double-colon
2665 is not really a type, because of the record syntax and strictness annotations.
2666 A "type" of this form can appear only in a constructor signature.)
2667 </para></listitem>
2668
2669 <listitem><para> 
2670 Record updates are allowed with GADT-style declarations, 
2671 only fields that have the following property: the type of the field
2672 mentions no existential type variables.
2673 </para></listitem>
2674
2675 <listitem><para> 
2676 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
2677 (<xref linkend="existential-records"/>),
2678 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
2679 selectors.  
2680 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
2681 <programlisting>
2682 data Counter a where
2683     NewCounter { _this    :: self
2684                , _inc     :: self -> self
2685                , _display :: self -> IO ()
2686                , tag      :: a
2687                }
2688         :: Counter a
2689 </programlisting>
2690 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
2691 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
2692 </para></listitem>
2693 </itemizedlist></para>
2694 </sect2>
2695
2696 <sect2 id="gadt">
2697 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
2698
2699 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
2700 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
2701 <programlisting>
2702   data Term a where
2703       Lit    :: Int -> Term Int
2704       Succ   :: Term Int -> Term Int
2705       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
2706       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
2707       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2708 </programlisting>
2709 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
2710 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
2711 write a well-typed <literal>eval</literal> function
2712 for these <literal>Terms</literal>:
2713 <programlisting>
2714   eval :: Term a -> a
2715   eval (Lit i)      = i
2716   eval (Succ t)     = 1 + eval t
2717   eval (IsZero t)   = eval t == 0
2718   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
2719   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
2720 </programlisting>
2721 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
2722 For example, in the right hand side of the equation
2723 <programlisting>
2724   eval :: Term a -> a
2725   eval (Lit i) =  ...
2726 </programlisting>
2727 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
2728 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
2729 but the design closely follows that described in
2730 the paper <ulink
2731 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/">Simple
2732 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
2733 (ICFP 2006).
2734 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
2735 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
2736 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
2737 and lots of obscure error messages will
2738 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
2739 <programlisting>
2740   eval :: Term a -> a -> a
2741   eval (Lit i) j =  i+j
2742 </programlisting>
2743 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
2744 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
2745 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
2746 </para>
2747 <para>
2748 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
2749 Tim Sheard. There is a longer introduction
2750 <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
2751 and Ralf Hinze's
2752 <ulink url="http://www.informatik.uni-bonn.de/~ralf/publications/With.pdf">Fun with phantom types</ulink> also has a number of examples. Note that papers
2753 may use different notation to that implemented in GHC.
2754 </para>
2755 <para>
2756 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs.   The extension is enabled with 
2757 <option>-XGADTs</option>.  The <option>-XGADTs</option> flag also sets <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
2758 <itemizedlist>
2759 <listitem><para>
2760 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
2761 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
2762 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
2763 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
2764 For example, in the <literal>Term</literal> data
2765 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
2766 the <literal>ty</literal> need not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
2767 constructor).
2768 </para></listitem>
2769
2770 <listitem><para>
2771 It is permitted to declare an ordinary algebraic data type using GADT-style syntax.
2772 What makes a GADT into a GADT is not the syntax, but rather the presence of data constructors
2773 whose result type is not just <literal>T a b</literal>.
2774 </para></listitem>
2775
2776 <listitem><para>
2777 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
2778 an ordinary data type.
2779 </para></listitem>
2780
2781 <listitem><para>
2782 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
2783 For example:
2784 <programlisting>
2785   data Term a where
2786       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
2787       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
2788       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
2789       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
2790       Pair   { arg1 :: Term a
2791              , arg2 :: Term b
2792              }                    :: Term (a,b)
2793       If     { cnd  :: Term Bool
2794              , tru  :: Term a
2795              , fls  :: Term a
2796              }                    :: Term a
2797 </programlisting>
2798 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
2799 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
2800 the same result type (modulo alpha conversion)
2801 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
2802 and <literal>arg</literal> fields above into a 
2803 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
2804 their selector functions actually have different types:
2805
2806 <programlisting>
2807   num :: Term Int -> Term Int
2808   arg :: Term Bool -> Term Int
2809 </programlisting>
2810 </para></listitem>
2811
2812 <listitem><para>
2813 When pattern-matching against data constructors drawn from a GADT, 
2814 for example in a <literal>case</literal> expression, the following rules apply:
2815 <itemizedlist>
2816 <listitem><para>The type of the scrutinee must be rigid.</para></listitem>
2817 <listitem><para>The type of the entire <literal>case</literal> expression must be rigid.</para></listitem>
2818 <listitem><para>The type of any free variable mentioned in any of
2819 the <literal>case</literal> alternatives must be rigid.</para></listitem>
2820 </itemizedlist>
2821 A type is "rigid" if it is completely known to the compiler at its binding site.  The easiest
2822 way to ensure that a variable a rigid type is to give it a type signature.
2823 For more precise details see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt">
2824 Simple unification-based type inference for GADTs
2825 </ulink>. The criteria implemented by GHC are given in the Appendix.
2826
2827 </para></listitem>
2828
2829 </itemizedlist>
2830 </para>
2831
2832 </sect2>
2833 </sect1>
2834
2835 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
2836
2837 <sect1 id="deriving">
2838 <title>Extensions to the "deriving" mechanism</title>
2839
2840 <sect2 id="deriving-inferred">
2841 <title>Inferred context for deriving clauses</title>
2842
2843 <para>
2844 The Haskell Report is vague about exactly when a <literal>deriving</literal> clause is
2845 legal.  For example:
2846 <programlisting>
2847   data T0 f a = MkT0 a         deriving( Eq )
2848   data T1 f a = MkT1 (f a)     deriving( Eq )
2849   data T2 f a = MkT2 (f (f a)) deriving( Eq )
2850 </programlisting>
2851 The natural generated <literal>Eq</literal> code would result in these instance declarations:
2852 <programlisting>
2853   instance Eq a         => Eq (T0 f a) where ...
2854   instance Eq (f a)     => Eq (T1 f a) where ...
2855   instance Eq (f (f a)) => Eq (T2 f a) where ...
2856 </programlisting>
2857 The first of these is obviously fine. The second is still fine, although less obviously. 
2858 The third is not Haskell 98, and risks losing termination of instances.
2859 </para>
2860 <para>
2861 GHC takes a conservative position: it accepts the first two, but not the third.  The  rule is this:
2862 each constraint in the inferred instance context must consist only of type variables, 
2863 with no repetitions.
2864 </para>
2865 <para>
2866 This rule is applied regardless of flags.  If you want a more exotic context, you can write
2867 it yourself, using the <link linkend="stand-alone-deriving">standalone deriving mechanism</link>.
2868 </para>
2869 </sect2>
2870
2871 <sect2 id="stand-alone-deriving">
2872 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
2873
2874 <para>
2875 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-XStandaloneDeriving</literal>:
2876 <programlisting>
2877   data Foo a = Bar a | Baz String
2878
2879   deriving instance Eq a => Eq (Foo a)
2880 </programlisting>
2881 The syntax is identical to that of an ordinary instance declaration apart from (a) the keyword
2882 <literal>deriving</literal>, and (b) the absence of the <literal>where</literal> part.
2883 Note the following points:
2884 <itemizedlist>
2885 <listitem><para>
2886 You must supply an explicit context (in the example the context is <literal>(Eq a)</literal>), 
2887 exactly as you would in an ordinary instance declaration.
2888 (In contrast, in a <literal>deriving</literal> clause 
2889 attached to a data type declaration, the context is inferred.) 
2890 </para></listitem>
2891
2892 <listitem><para>
2893 A <literal>deriving instance</literal> declaration
2894 must obey the same rules concerning form and termination as ordinary instance declarations,
2895 controlled by the same flags; see <xref linkend="instance-decls"/>.
2896 </para></listitem>
2897
2898 <listitem><para>
2899 Unlike a <literal>deriving</literal>
2900 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, the instance can be more specific
2901 than the data type (assuming you also use 
2902 <literal>-XFlexibleInstances</literal>, <xref linkend="instance-rules"/>).  Consider
2903 for example
2904 <programlisting>
2905   data Foo a = Bar a | Baz String
2906
2907   deriving instance Eq a => Eq (Foo [a])
2908   deriving instance Eq a => Eq (Foo (Maybe a))
2909 </programlisting>
2910 This will generate a derived instance for <literal>(Foo [a])</literal> and <literal>(Foo (Maybe a))</literal>,
2911 but other types such as <literal>(Foo (Int,Bool))</literal> will not be an instance of <literal>Eq</literal>.
2912 </para></listitem>
2913
2914 <listitem><para>
2915 Unlike a <literal>deriving</literal>
2916 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, 
2917 GHC does not restrict the form of the data type.  Instead, GHC simply generates the appropriate
2918 boilerplate code for the specified class, and typechecks it. If there is a type error, it is
2919 your problem. (GHC will show you the offending code if it has a type error.) 
2920 The merit of this is that you can derive instances for GADTs and other exotic
2921 data types, providing only that the boilerplate code does indeed typecheck.  For example:
2922 <programlisting>
2923   data T a where
2924      T1 :: T Int
2925      T2 :: T Bool
2926
2927   deriving instance Show (T a)
2928 </programlisting>
2929 In this example, you cannot say <literal>... deriving( Show )</literal> on the 
2930 data type declaration for <literal>T</literal>, 
2931 because <literal>T</literal> is a GADT, but you <emphasis>can</emphasis> generate
2932 the instance declaration using stand-alone deriving.
2933 </para>
2934 </listitem>
2935
2936 <listitem>
2937 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
2938 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
2939 For example:
2940 <programlisting>
2941   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
2942
2943   deriving instance MonadState Int Foo
2944 </programlisting>
2945 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
2946 (<literal>Foo</literal> in this example) as the type whose instance is being derived.
2947 </para></listitem>
2948 </itemizedlist></para>
2949
2950 </sect2>
2951
2952
2953 <sect2 id="deriving-typeable">
2954 <title>Deriving clause for extra classes (<literal>Typeable</literal>, <literal>Data</literal>, etc)</title>
2955
2956 <para>
2957 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
2958 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
2959 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
2960 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
2961 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
2962 </para>
2963 <para>
2964 GHC extends this list with several more classes that may be automatically derived:
2965 <itemizedlist>
2966 <listitem><para> With <option>-XDeriveDataTypeable</option>, you can derive instances of the classes
2967 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>, defined in the library
2968 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively.
2969 </para>
2970 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
2971 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
2972 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
2973 described in
2974 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
2975 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
2976 </ulink>.
2977 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
2978 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
2979 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
2980 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
2981 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
2982 then writing the data type instance by hand.
2983 </para>
2984 </listitem>
2985
2986 <listitem><para> With <option>-XDeriveFunctor</option>, you can derive instances of 
2987 the class <literal>Functor</literal>,
2988 defined in <literal>GHC.Base</literal>.
2989 </para></listitem>
2990
2991 <listitem><para> With <option>-XDeriveFoldable</option>, you can derive instances of 
2992 the class <literal>Foldable</literal>,
2993 defined in <literal>Data.Foldable</literal>.
2994 </para></listitem>
2995
2996 <listitem><para> With <option>-XDeriveTraversable</option>, you can derive instances of 
2997 the class <literal>Traversable</literal>,
2998 defined in <literal>Data.Traversable</literal>.
2999 </para></listitem>
3000 </itemizedlist>
3001 In each case the appropriate class must be in scope before it 
3002 can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3003 </para>
3004 </sect2>
3005
3006 <sect2 id="newtype-deriving">
3007 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3008
3009 <para>
3010 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3011 the new type to inherit some instances from its representation. In
3012 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3013 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3014 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3015 example, if you define
3016
3017 <programlisting>
3018   newtype Dollars = Dollars Int 
3019 </programlisting>
3020
3021 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3022 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3023
3024 <programlisting>
3025   instance Num Dollars where
3026     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3027     ...
3028 </programlisting>
3029 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3030 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3031 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3032 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3033 dictionary, only slower!
3034 </para>
3035
3036
3037 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3038 <para>
3039 GHC now permits such instances to be derived instead, 
3040 using the flag <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
3041 so one can write 
3042 <programlisting>
3043   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3044 </programlisting>
3045
3046 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3047 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3048 derives an instance declaration of the form
3049
3050 <programlisting>
3051   instance Num Int => Num Dollars
3052 </programlisting>
3053
3054 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3055 </para>
3056 <para>
3057
3058 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3059 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3060 transformers, such that
3061
3062 <programlisting>
3063   instance Monad m => Monad (State s m) 
3064   instance Monad m => Monad (Failure m)
3065 </programlisting>
3066 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3067 <programlisting>
3068   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3069 </programlisting>
3070
3071 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3072 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3073 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3074
3075 <programlisting>
3076   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3077                          deriving Monad
3078 </programlisting>
3079 In this case the derived instance declaration is of the form 
3080 <programlisting>
3081   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3082 </programlisting>
3083
3084 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3085 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3086 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3087 "eta-converted" to generate the context of the instance
3088 declaration.
3089 </para>
3090 <para>
3091
3092 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3093 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3094 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3095 clause. For example, given the class
3096
3097 <programlisting>
3098   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3099   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3100 </programlisting>
3101 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3102 <programlisting>
3103   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3104                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3105 </programlisting>
3106
3107 The derived instance is obtained by completing the application of the
3108 class to the new type:
3109
3110 <programlisting>
3111   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3112            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3113 </programlisting>
3114 </para>
3115 <para>
3116
3117 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3118  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3119 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3120 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3121 the newtype and its representation.
3122 </para>
3123 </sect3>
3124
3125 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3126 <para>
3127 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3128 declaration (after expansion of any type synonyms)
3129
3130 <programlisting>
3131   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3132 </programlisting>
3133
3134 where 
3135  <itemizedlist>
3136 <listitem><para>
3137   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3138   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3139   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3140 </para></listitem>
3141 <listitem><para>
3142   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
3143 </para></listitem>
3144 <listitem><para>
3145   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
3146 </para></listitem>
3147 <listitem><para>
3148   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
3149   nor in the <literal>ci</literal>, and
3150 </para></listitem>
3151 <listitem><para>
3152   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3153                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3154                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3155                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3156                 via this new mechanism.  
3157 </para></listitem>
3158 </itemizedlist>
3159 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3160 declaration is:
3161 <programlisting>
3162   instance ci t => ci (T v1...vk)
3163 </programlisting>
3164 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3165 <programlisting>
3166   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3167 </programlisting>
3168 Here we cannot derive the instance 
3169 <programlisting>
3170   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3171 </programlisting>
3172
3173 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3174 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3175 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3176 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3177 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3178 </para>
3179 <para>
3180
3181 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3182 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3183 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3184
3185 <programlisting>
3186   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3187 </programlisting>
3188
3189 then we would not have been able to derive an instance for the
3190 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3191 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3192 instances is most interesting.
3193 </para>
3194 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3195 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3196 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3197 4.3.3. of the Haskell Report).
3198 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3199 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3200 the standard method is used or the one described here.)
3201 </para>
3202 </sect3>
3203 </sect2>
3204 </sect1>
3205
3206
3207 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
3208 <sect1 id="type-class-extensions">
3209 <title>Class and instances declarations</title>
3210
3211 <sect2 id="multi-param-type-classes">
3212 <title>Class declarations</title>
3213
3214 <para>
3215 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
3216 There's lots of background in the paper <ulink
3217 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space/">Type
3218 classes: exploring the design space</ulink> (Simon Peyton Jones, Mark
3219 Jones, Erik Meijer).
3220 </para>
3221 <para>
3222 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
3223 </para>
3224
3225 <sect3>
3226 <title>Multi-parameter type classes</title>
3227 <para>
3228 Multi-parameter type classes are permitted, with flag <option>-XMultiParamTypeClasses</option>. 
3229 For example:
3230
3231
3232 <programlisting>
3233   class Collection c a where
3234     union :: c a -> c a -> c a
3235     ...etc.
3236 </programlisting>
3237
3238 </para>
3239 </sect3>
3240
3241 <sect3 id="superclass-rules">
3242 <title>The superclasses of a class declaration</title>
3243
3244 <para>
3245 In Haskell 98 the context of a class declaration (which introduces superclasses)
3246 must be simple; that is, each predicate must consist of a class applied to 
3247 type variables.  The flag <option>-XFlexibleContexts</option> 
3248 (<xref linkend="flexible-contexts"/>)
3249 lifts this restriction,
3250 so that the only restriction on the context in a class declaration is 
3251 that the class hierarchy must be acyclic.  So these class declarations are OK:
3252
3253
3254 <programlisting>
3255   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
3256     ...
3257
3258   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
3259     lift :: m a -> (t m) a
3260 </programlisting>
3261
3262
3263 </para>
3264 <para>
3265 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
3266 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
3267 this is OK:
3268
3269
3270 <programlisting>
3271   class C a where {
3272     op :: D b => a -> b -> b
3273   }
3274
3275   class C a => D a where { ... }
3276 </programlisting>
3277
3278
3279 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
3280 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
3281 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
3282 </para>
3283 </sect3>
3284
3285
3286
3287
3288 <sect3 id="class-method-types">
3289 <title>Class method types</title>
3290
3291 <para>
3292 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
3293 class type variable, thus:
3294 <programlisting>
3295   class Seq s a where
3296     fromList :: [a] -> s a
3297     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
3298 </programlisting>
3299 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
3300 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
3301 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
3302 GHC lifts this restriction (flag <option>-XConstrainedClassMethods</option>).
3303 </para>
3304
3305
3306 </sect3>
3307 </sect2>
3308
3309 <sect2 id="functional-dependencies">
3310 <title>Functional dependencies
3311 </title>
3312
3313 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
3314 in &ldquo;<ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/jones00type.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
3315 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
3316 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
3317 .
3318 </para>
3319 <para>
3320 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
3321 class declaration;  e.g. 
3322 <programlisting>
3323   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
3324
3325   class Foo a b c | a b -> c where ...
3326 </programlisting>
3327 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
3328 </para>
3329
3330 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
3331 <para>
3332 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
3333 mentioned in <xref linkend="flexible-contexts"/>)
3334 from the free variables of each method type.
3335 For example:
3336
3337 <programlisting>
3338   class Coll s a where
3339     empty  :: s
3340     insert :: s -> a -> s
3341 </programlisting>
3342
3343 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
3344 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
3345 reachable:
3346 <programlisting>
3347   class Coll s a | s -> a where
3348     empty  :: s
3349     insert :: s -> a -> s
3350 </programlisting>
3351
3352 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
3353
3354 <programlisting>
3355   class Coll s a where
3356     empty  :: s a
3357     insert :: s a -> a -> s a
3358 </programlisting>
3359
3360
3361 which makes the connection between the type of a collection of
3362 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
3363 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
3364 class like this:
3365
3366
3367 <programlisting>
3368   class CollE s where
3369     empty  :: s
3370
3371   class CollE s => Coll s a where
3372     insert :: s -> a -> s
3373 </programlisting>
3374 </para>
3375 </sect3>
3376
3377
3378 <sect3>
3379 <title>Background on functional dependencies</title>
3380
3381 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
3382 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
3383 permission of Mark Jones.
3384 </para>
3385 <para> 
3386 Consider the following class, intended as part of a
3387 library for collection types:
3388 <programlisting>
3389    class Collects e ce where
3390        empty  :: ce
3391        insert :: e -> ce -> ce
3392        member :: e -> ce -> Bool
3393 </programlisting>
3394 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
3395 of the container itself. Within this framework, we might want to define
3396 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
3397 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
3398 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
3399 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
3400 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
3401 <programlisting>
3402    instance Eq e => Collects e [e] where ...
3403    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
3404    instance Collects Char BitSet where ...
3405    instance (Hashable e, Collects a ce)
3406               => Collects e (Array Int ce) where ...
3407 </programlisting>
3408 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
3409 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
3410 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
3411 <programlisting>
3412    empty :: Collects e ce => ce
3413 </programlisting>
3414 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
3415 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
3416 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
3417 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
3418 type.
3419 </para>
3420 <para>
3421 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
3422 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
3423 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
3424 them. For example, consider the following two functions: 
3425 <programlisting>
3426    f x y = insert x . insert y
3427    g     = f True 'a'
3428 </programlisting>
3429 for which GHC infers the following types: 
3430 <programlisting>
3431    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3432    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
3433 </programlisting>
3434 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
3435 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
3436 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
3437 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
3438 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
3439 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
3440 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
3441 might even be in a different module.
3442 </para>
3443
3444 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
3445
3446 <para>
3447 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
3448 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
3449 <programlisting>
3450    class Collects e c where
3451       empty  :: c e
3452       insert :: e -> c e -> c e
3453       member :: e -> c e -> Bool
3454 </programlisting>
3455 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
3456 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
3457 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
3458 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
3459 e</literal>, which is not ambiguous. 
3460 </para>
3461 <para>
3462 The function f from the previous section has a more accurate type: 
3463 <programlisting>
3464    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
3465 </programlisting>
3466 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
3467 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
3468 different types. 
3469 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
3470 quite well in practice, without ambiguity problems.
3471 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
3472 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
3473 for <literal>Collects</literal>
3474 given above can be used with this version of Collects because only one of
3475 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
3476 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
3477 </para>
3478 </sect4>
3479
3480 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
3481
3482 <para>
3483 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
3484 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
3485 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
3486 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
3487 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
3488 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
3489 later framework for "improvement" of qualified types. The
3490 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
3491 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
3492 general design space for systems of implicit parameterization.).
3493
3494 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
3495 <programlisting>
3496    class C a b where ...
3497 </programlisting>
3498 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
3499 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
3500 included in the definition of classes to add information about dependencies
3501 between parameters, as in the following examples: 
3502 <programlisting>
3503    class D a b | a -> b where ...
3504    class E a b | a -> b, b -> a where ...
3505 </programlisting>
3506 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
3507 symbols --- not to be
3508 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
3509 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
3510 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
3511 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
3512 represents a (partial) one-one mapping between types.
3513 </para>
3514 <para>
3515 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
3516 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
3517 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
3518 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
3519 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
3520 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
3521 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
3522 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
3523 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
3524 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
3525 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
3526 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
3527 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
3528 <literal>a-&gt;b</literal>, 
3529  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
3530 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
3531 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
3532 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
3533 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
3534 unchanged.
3535 </para>
3536 <para>
3537 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
3538 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
3539 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
3540 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
3541 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
3542 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
3543 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
3544 <programlisting>
3545    instance D Bool Int where ...
3546    instance D Bool Char where ...
3547 </programlisting>
3548 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
3549 <programlisting>
3550    instance D [a] b where ...
3551 </programlisting>
3552 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
3553 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
3554 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
3555 in any instance of the form: 
3556 <programlisting>
3557    instance D t s where ...
3558 </programlisting>
3559 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
3560 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
3561 uniquely determined.
3562 </para>
3563 <para>
3564 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
3565 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
3566 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
3567 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
3568 with a simple dependency: 
3569 <programlisting>
3570    class Collects e ce | ce -> e where
3571       empty  :: ce
3572       insert :: e -> ce -> ce
3573       member :: e -> ce -> Bool
3574 </programlisting>
3575 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
3576 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
3577 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
3578 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
3579 together with this new definition.
3580 </para>
3581 <para>
3582 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
3583 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
3584 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
3585 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
3586 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
3587 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
3588 give enough information to determine types for both ce and e, without
3589 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
3590 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
3591 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
3592 </para>
3593 <para>
3594 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
3595 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
3596 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
3597 function f: 
3598 <programlisting>
3599    f x y = insert x y = insert x . insert y
3600 </programlisting>
3601 for which we originally obtained a type: 
3602 <programlisting>
3603    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3604 </programlisting>
3605 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
3606 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
3607 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
3608 can infer a shorter and more accurate type for f: 
3609 <programlisting>
3610    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
3611 </programlisting>
3612 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
3613 </para>
3614 <para>
3615 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
3616 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
3617 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
3618 sets of instance declarations.
3619 </para>
3620 </sect4>
3621 </sect3>
3622 </sect2>
3623
3624 <sect2 id="instance-decls">
3625 <title>Instance declarations</title>
3626
3627 <para>An instance declaration has the form
3628 <screen>
3629   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 ...
3630 </screen>
3631 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
3632 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
3633 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
3634 </para>
3635
3636 <sect3 id="flexible-instance-head">
3637 <title>Relaxed rules for the instance head</title>
3638
3639 <para>
3640 In Haskell 98 the head of an instance declaration
3641 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
3642 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a data type constructor,
3643 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
3644 GHC relaxes these rules in two ways.
3645 <itemizedlist>
3646 <listitem>
3647 <para>
3648 The <option>-XFlexibleInstances</option> flag allows the head of the instance
3649 declaration to mention arbitrary nested types.
3650 For example, this becomes a legal instance declaration
3651 <programlisting>
3652   instance C (Maybe Int) where ...
3653 </programlisting>
3654 See also the <link linkend="instance-overlap">rules on overlap</link>.
3655 </para></listitem>
3656 <listitem><para>
3657 With the <option>-XTypeSynonymInstances</option> flag, instance heads may use type
3658 synonyms. As always, using a type synonym is just shorthand for
3659 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
3660
3661
3662 <programlisting>
3663   type Point = (Int,Int)
3664   instance C Point   where ...
3665   instance C [Point] where ...
3666 </programlisting>
3667
3668
3669 is legal.  However, if you added
3670
3671
3672 <programlisting>
3673   instance C (Int,Int) where ...
3674 </programlisting>
3675
3676
3677 as well, then the compiler will complain about the overlapping
3678 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
3679 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
3680
3681 <programlisting>
3682   type P a = [[a]]
3683   instance Monad P where ...
3684 </programlisting>
3685
3686 </para></listitem>
3687 </itemizedlist>
3688 </para>
3689 </sect3>
3690
3691 <sect3 id="instance-rules">
3692 <title>Relaxed rules for instance contexts</title>
3693
3694 <para>In Haskell 98, the assertions in the context of the instance declaration
3695 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
3696 is a type variable that occurs in the head.
3697 </para>
3698
3699 <para>
3700 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag relaxes this rule, as well
3701 as the corresponding rule for type signatures (see <xref linkend="flexible-contexts"/>).
3702 With this flag the context of the instance declaration can each consist of arbitrary
3703 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
3704 following rules:
3705 <orderedlist>
3706 <listitem><para>
3707 The Paterson Conditions: for each assertion in the context
3708 <orderedlist>
3709 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
3710 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
3711       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
3712 </orderedlist>
3713 </para></listitem>
3714
3715 <listitem><para>The Coverage Condition.  For each functional dependency,
3716 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
3717 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
3718 every type variable in
3719 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
3720 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
3721 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
3722 corresponding type in the instance declaration.
3723 </para></listitem>
3724 </orderedlist>
3725 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
3726 step makes the problem smaller by at least one
3727 constructor.  Both the Paterson Conditions and the Coverage Condition are lifted 
3728 if you give the <option>-XUndecidableInstances</option> 
3729 flag (<xref linkend="undecidable-instances"/>).
3730 You can find lots of background material about the reason for these
3731 restrictions in the paper <ulink
3732 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
3733 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
3734 </para>
3735 <para>
3736 For example, these are OK:
3737 <programlisting>
3738   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
3739   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
3740
3741       -- Repeated type variable in head
3742   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
3743   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
3744
3745       -- Head can consist of type variables only
3746   instance C a
3747   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
3748
3749       -- Non-type variables in context
3750   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
3751   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
3752   instance C2 Int a => C3 [a] b
3753 </programlisting>
3754 But these are not:
3755 <programlisting>
3756       -- Context assertion no smaller than head
3757   instance C a => C a where ...
3758       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
3759   instance C b b => Foo [b] where ...
3760 </programlisting>
3761 </para>
3762
3763 <para>
3764 The same restrictions apply to instances generated by
3765 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
3766 <programlisting>
3767   data MinHeap h a = H a (h a)
3768     deriving (Show)
3769 </programlisting>
3770 because the derived instance
3771 <programlisting>
3772   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
3773 </programlisting>
3774 conforms to the above rules.
3775 </para>
3776
3777 <para>
3778 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
3779 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
3780 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
3781 something more specific does not:
3782 <programlisting>
3783   instance C a where
3784     op = ... -- Default
3785 </programlisting>
3786 </para>
3787 </sect3>
3788
3789 <sect3 id="undecidable-instances">
3790 <title>Undecidable instances</title>
3791
3792 <para>
3793 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
3794 For example, sometimes you might want to use the following to get the
3795 effect of a "class synonym":
3796 <programlisting>
3797   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3798
3799   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3800 </programlisting>
3801 This allows you to write shorter signatures:
3802 <programlisting>
3803   f :: C a => ...
3804 </programlisting>
3805 instead of
3806 <programlisting>
3807   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
3808 </programlisting>
3809 The restrictions on functional dependencies (<xref
3810 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
3811 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
3812 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
3813 <programlisting>
3814   class HasConverter a b | a -> b where
3815      convert :: a -> b
3816    
3817   data Foo a = MkFoo a
3818
3819   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
3820      show (MkFoo value) = show (convert value)
3821 </programlisting>
3822 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
3823 typechecker loop:
3824 <programlisting>
3825   class D a
3826   class F a b | a->b
3827   instance F [a] [[a]]
3828   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
3829 </programlisting>
3830 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
3831 <programlisting>
3832   class Mul a b c | a b -> c where
3833         (.*.) :: a -> b -> c
3834
3835   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
3836   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
3837   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
3838 </programlisting>
3839 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
3840 and indeed the (somewhat strange) definition:
3841 <programlisting>
3842   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
3843 </programlisting>
3844 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
3845 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
3846 </para>
3847 <para>
3848 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
3849 the experimental flag <option>-XUndecidableInstances</option>
3850 <indexterm><primary>-XUndecidableInstances</primary></indexterm>, 
3851 both the Paterson Conditions and the Coverage Condition
3852 (described in <xref linkend="instance-rules"/>) are lifted.  Termination is ensured by having a
3853 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
3854 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
3855 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
3856 </para>
3857
3858 </sect3>
3859
3860
3861 <sect3 id="instance-overlap">
3862 <title>Overlapping instances</title>
3863 <para>
3864 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
3865 declaration
3866 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
3867 can be modified by two flags: <option>-XOverlappingInstances</option>
3868 <indexterm><primary>-XOverlappingInstances
3869 </primary></indexterm> 
3870 and <option>-XIncoherentInstances</option>
3871 <indexterm><primary>-XIncoherentInstances
3872 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
3873 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
3874 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
3875 <para>
3876 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
3877 it tries to match every instance declaration against the
3878 constraint,
3879 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
3880 these declarations:
3881 <programlisting>
3882   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
3883   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
3884   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
3885   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
3886 </programlisting>
3887 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
3888 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
3889 no account of the context of the instance declaration
3890 (<literal>context1</literal> etc).
3891 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
3892 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
3893 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
3894 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
3895 particular constraint matches more than one.
3896 </para>
3897
3898 <para>
3899 The <option>-XOverlappingInstances</option> flag instructs GHC to allow
3900 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
3901 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
3902 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
3903 most-specific match, the program is rejected.
3904 </para>
3905 <para>
3906 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
3907 <programlisting>
3908   f :: [b] -> [b]
3909   f x = ...
3910 </programlisting>
3911 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
3912 <literal>C Int [b]</literal>.  But
3913 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
3914 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
3915 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
3916 So GHC rejects the program.  
3917 (If you add the flag <option>-XIncoherentInstances</option>,
3918 GHC will instead pick (C), without complaining about 
3919 the problem of subsequent instantiations.)
3920 </para>
3921 <para>
3922 Notice that we gave a type signature to <literal>f</literal>, so GHC had to
3923 <emphasis>check</emphasis> that <literal>f</literal> has the specified type.  
3924 Suppose instead we do not give a type signature, asking GHC to <emphasis>infer</emphasis>
3925 it instead.  In this case, GHC will refrain from
3926 simplifying the constraint <literal>C Int [b]</literal> (for the same reason
3927 as before) but, rather than rejecting the program, it will infer the type
3928 <programlisting>
3929   f :: C Int [b] => [b] -> [b]
3930 </programlisting>
3931 That postpones the question of which instance to pick to the 
3932 call site for <literal>f</literal>
3933 by which time more is known about the type <literal>b</literal>.
3934 You can write this type signature yourself if you use the 
3935 <link linkend="flexible-contexts"><option>-XFlexibleContexts</option></link>
3936 flag.
3937 </para>
3938 <para>
3939 Exactly the same situation can arise in instance declarations themselves.  Suppose we have
3940 <programlisting>
3941   class Foo a where
3942      f :: a -> a
3943   instance Foo [b] where
3944      f x = ...
3945 </programlisting>
3946 and, as before, the constraint <literal>C Int [b]</literal> arises from <literal>f</literal>'s
3947 right hand side.  GHC will reject the instance, complaining as before that it does not know how to resolve
3948 the constraint <literal>C Int [b]</literal>, because it matches more than one instance
3949 declaration.  The solution is to postpone the choice by adding the constraint to the context
3950 of the instance declaration, thus:
3951 <programlisting>
3952   instance C Int [b] => Foo [b] where
3953      f x = ...
3954 </programlisting>
3955 (You need <link linkend="instance-rules"><option>-XFlexibleInstances</option></link> to do this.)
3956 </para>
3957 <para>
3958 Warning: overlapping instances must be used with care.  They 
3959 can give rise to incoherence (ie different instance choices are made
3960 in different parts of the program) even without <option>-XIncoherentInstances</option>. Consider:
3961 <programlisting>
3962 {-# LANGUAGE OverlappingInstances #-}
3963 module Help where
3964
3965     class MyShow a where
3966       myshow :: a -> String
3967
3968     instance MyShow a => MyShow [a] where
3969       myshow xs = concatMap myshow xs
3970
3971     showHelp :: MyShow a => [a] -> String
3972     showHelp xs = myshow xs
3973
3974 {-# LANGUAGE FlexibleInstances, OverlappingInstances #-}
3975 module Main where
3976     import Help
3977
3978     data T = MkT
3979
3980     instance MyShow T where
3981       myshow x = "Used generic instance"
3982
3983     instance MyShow [T] where
3984       myshow xs = "Used more specific instance"
3985
3986     main = do { print (myshow [MkT]); print (showHelp [MkT]) }
3987 </programlisting>
3988 In function <literal>showHelp</literal> GHC sees no overlapping
3989 instances, and so uses the <literal>MyShow [a]</literal> instance
3990 without complaint.  In the call to <literal>myshow</literal> in <literal>main</literal>,
3991 GHC resolves the <literal>MyShow [T]</literal> constraint using the overlapping
3992 instance declaration in module <literal>Main</literal>. As a result, 
3993 the program prints
3994 <programlisting>
3995   "Used more specific instance"
3996   "Used generic instance"
3997 </programlisting>
3998 (An alternative possible behaviour, not currently implemented, 
3999 would be to reject module <literal>Help</literal>
4000 on the grounds that a later instance declaration might overlap the local one.)
4001 </para>
4002 <para>
4003 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
4004 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
4005 presence or otherwise of the <option>-XOverlappingInstances</option> 
4006 and <option>-XIncoherentInstances</option> flags when that module is
4007 being defined.  Specifically, during the lookup process:
4008 <itemizedlist>
4009 <listitem><para>
4010 If the constraint being looked up matches two instance declarations IA and IB,
4011 and
4012 <itemizedlist>
4013 <listitem><para>IB is a substitution instance of IA (but not vice versa);
4014 that is, IB is strictly more specific than IA</para></listitem>
4015 <listitem><para>either IA or IB was compiled with <option>-XOverlappingInstances</option></para></listitem>
4016 </itemizedlist>
4017 then the less-specific instance IA is ignored.
4018 </para></listitem>
4019 <listitem><para>
4020 Suppose an instance declaration does not match the constraint being looked up, but
4021 does <emphasis>unify</emphasis> with it, so that it might match when the constraint is further
4022 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
4023 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
4024 <option>-XIncoherentInstances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
4025 check for that declaration.
4026 </para></listitem>
4027 </itemizedlist>
4028 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
4029 overlapping instances without the library client having to know.  
4030 </para>
4031 <para>The <option>-XIncoherentInstances</option> flag implies the
4032 <option>-XOverlappingInstances</option> flag, but not vice versa.
4033 </para>
4034 </sect3>
4035
4036
4037
4038 </sect2>
4039
4040 <sect2 id="overloaded-strings">
4041 <title>Overloaded string literals
4042 </title>
4043
4044 <para>
4045 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
4046 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
4047 literals enabled (with <literal>-XOverloadedStrings</literal>)
4048  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
4049 </para>
4050 <para>
4051 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
4052 and other variations of string like types.  String literals behave very much
4053 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
4054 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
4055 way as an integer literal is.
4056 </para>
4057 <para>
4058 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
4059 <programlisting>
4060 class IsString a where
4061     fromString :: String -> a
4062 </programlisting>
4063 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
4064 <programlisting>
4065 instance IsString [Char] where
4066     fromString cs = cs
4067 </programlisting>
4068 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
4069 it explicitly (for example, to give an instance declaration for it), you can import it
4070 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
4071 </para>
4072 <para>
4073 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-XOverloadedStrings</option> is specified.
4074 Specifically:
4075 <itemizedlist>
4076 <listitem><para>
4077 Each type in a default declaration must be an 
4078 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
4079 </para></listitem>
4080
4081 <listitem><para>
4082 The standard defaulting rule (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
4083 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
4084 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
4085 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
4086 </para></listitem>
4087 </itemizedlist>
4088 </para>
4089 <para>
4090 A small example:
4091 <programlisting>
4092 module Main where
4093
4094 import GHC.Exts( IsString(..) )
4095
4096 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
4097 instance IsString MyString where
4098     fromString = MyString
4099
4100 greet :: MyString -> MyString
4101 greet "hello" = "world"
4102 greet other = other
4103
4104 main = do
4105     print $ greet "hello"
4106     print $ greet "fool"
4107 </programlisting>
4108 </para>
4109 <para>
4110 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
4111 to work since it gets translated into an equality comparison.
4112 </para>
4113 </sect2>
4114
4115 </sect1>
4116
4117 <sect1 id="type-families">
4118 <title>Type families</title>
4119
4120 <para>
4121   <firstterm>Indexed type families</firstterm> are a new GHC extension to
4122   facilitate type-level 
4123   programming. Type families are a generalisation of <firstterm>associated
4124   data types</firstterm> 
4125   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKPM05.html">Associated 
4126   Types with Class</ulink>&rdquo;, M. Chakravarty, G. Keller, S. Peyton Jones,
4127   and S. Marlow. In Proceedings of &ldquo;The 32nd Annual ACM SIGPLAN-SIGACT
4128      Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'05)&rdquo;, pages
4129   1-13, ACM Press, 2005) and <firstterm>associated type synonyms</firstterm>
4130   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKP05.html">Type  
4131   Associated Type Synonyms</ulink>&rdquo;. M. Chakravarty, G. Keller, and
4132   S. Peyton Jones. 
4133   In Proceedings of &ldquo;The Tenth ACM SIGPLAN International Conference on
4134   Functional Programming&rdquo;, ACM Press, pages 241-253, 2005).  Type families
4135   themselves are described in the paper &ldquo;<ulink 
4136   url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4137   Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;, T. Schrijvers,
4138   S. Peyton-Jones, 
4139   M. Chakravarty, and M. Sulzmann, in Proceedings of &ldquo;ICFP 2008: The
4140   13th ACM SIGPLAN International Conference on Functional
4141   Programming&rdquo;, ACM Press, pages 51-62, 2008. Type families
4142   essentially provide type-indexed data types and named functions on types,
4143   which are useful for generic programming and highly parameterised library
4144   interfaces as well as interfaces with enhanced static information, much like
4145   dependent types. They might also be regarded as an alternative to functional
4146   dependencies, but provide a more functional style of type-level programming
4147   than the relational style of functional dependencies. 
4148 </para>
4149 <para>
4150   Indexed type families, or type families for short, are type constructors that
4151   represent sets of types. Set members are denoted by supplying the type family
4152   constructor with type parameters, which are called <firstterm>type
4153   indices</firstterm>. The 
4154   difference between vanilla parametrised type constructors and family
4155   constructors is much like between parametrically polymorphic functions and
4156   (ad-hoc polymorphic) methods of type classes. Parametric polymorphic functions
4157   behave the same at all type instances, whereas class methods can change their
4158   behaviour in dependence on the class type parameters. Similarly, vanilla type
4159   constructors imply the same data representation for all type instances, but
4160   family constructors can have varying representation types for varying type
4161   indices. 
4162 </para>
4163 <para>
4164   Indexed type families come in two flavours: <firstterm>data
4165     families</firstterm> and <firstterm>type synonym 
4166     families</firstterm>. They are the indexed family variants of algebraic
4167   data types and type synonyms, respectively. The instances of data families
4168   can be data types and newtypes. 
4169 </para>
4170 <para>
4171   Type families are enabled by the flag <option>-XTypeFamilies</option>.
4172   Additional information on the use of type families in GHC is available on
4173   <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GHC/Indexed_types">the
4174   Haskell wiki page on type families</ulink>.
4175 </para>
4176
4177 <sect2 id="data-families">
4178   <title>Data families</title>
4179
4180   <para>
4181     Data families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4182     toplevel 
4183     or (2) they can appear inside type classes (in which case they are known as
4184     associated types). The former is the more general variant, as it lacks the
4185     requirement for the type-indexes to coincide with the class
4186     parameters. However, the latter can lead to more clearly structured code and
4187     compiler warnings if some type instances were - possibly accidentally -
4188     omitted. In the following, we always discuss the general toplevel form first
4189     and then cover the additional constraints placed on associated types.
4190   </para>
4191
4192   <sect3 id="data-family-declarations"> 
4193     <title>Data family declarations</title>
4194
4195     <para>
4196       Indexed data families are introduced by a signature, such as 
4197 <programlisting>
4198 data family GMap k :: * -> *
4199 </programlisting>
4200       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4201       data declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4202       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is
4203 <programlisting>
4204 data family Array e
4205 </programlisting>
4206       Named arguments can also be given explicit kind signatures if needed.
4207       Just as with
4208       [http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/users_guide/gadt.html GADT
4209       declarations] named arguments are entirely optional, so that we can
4210       declare <literal>Array</literal> alternatively with 
4211 <programlisting>
4212 data family Array :: * -> *
4213 </programlisting>
4214     </para>
4215
4216     <sect4 id="assoc-data-family-decl">
4217       <title>Associated data family declarations</title>
4218       <para>
4219         When a data family is declared as part of a type class, we drop
4220         the <literal>family</literal> special.  The <literal>GMap</literal>
4221         declaration takes the following form 
4222 <programlisting>
4223 class GMapKey k where
4224   data GMap k :: * -> *
4225   ...
4226 </programlisting>
4227         In contrast to toplevel declarations, named arguments must be used for
4228         all type parameters that are to be used as type-indexes.  Moreover,
4229         the argument names must be class parameters.  Each class parameter may
4230         only be used at most once per associated type, but some may be omitted
4231         and they may be in an order other than in the class head.  Hence, the
4232         following contrived example is admissible: 
4233 <programlisting>
4234   class C a b c where
4235   data T c a :: *
4236 </programlisting>
4237       </para>
4238     </sect4>
4239   </sect3>
4240
4241   <sect3 id="data-instance-declarations"> 
4242     <title>Data instance declarations</title>
4243
4244     <para>
4245       Instance declarations of data and newtype families are very similar to
4246       standard data and newtype declarations.  The only two differences are
4247       that the keyword <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>
4248       is followed by <literal>instance</literal> and that some or all of the
4249       type arguments can be non-variable types, but may not contain forall
4250       types or type synonym families.  However, data families are generally
4251       allowed in type parameters, and type synonyms are allowed as long as
4252       they are fully applied and expand to a type that is itself admissible -
4253       exactly as this is required for occurrences of type synonyms in class
4254       instance parameters.  For example, the <literal>Either</literal>
4255       instance for <literal>GMap</literal> is 
4256 <programlisting>
4257 data instance GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4258 </programlisting>
4259       In this example, the declaration has only one variant.  In general, it
4260       can be any number.
4261     </para>
4262     <para>
4263       Data and newtype instance declarations are only permitted when an
4264       appropriate family declaration is in scope - just as a class instance declaratoin
4265       requires the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4266       declaration has to conform to the kind determined by its family
4267       declaration.  This implies that the number of parameters of an instance
4268       declaration matches the arity determined by the kind of the family.
4269     </para>
4270     <para>
4271       A data family instance declaration can use the full exprssiveness of
4272       ordinary <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declarations:
4273       <itemizedlist>
4274       <listitem><para> Although, a data family is <emphasis>introduced</emphasis> with
4275       the keyword "<literal>data</literal>", a data family <emphasis>instance</emphasis> can 
4276       use either <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>. For example:
4277 <programlisting>
4278 data family T a
4279 data    instance T Int  = T1 Int | T2 Bool
4280 newtype instance T Char = TC Bool
4281 </programlisting>
4282       </para></listitem>
4283       <listitem><para> A <literal>data instance</literal> can use GADT syntax for the data constructors,
4284       and indeed can define a GADT.  For example:
4285 <programlisting>
4286 data family G a b
4287 data instance G [a] b where
4288    G1 :: c -> G [Int] b
4289    G2 :: G [a] Bool
4290 </programlisting>
4291       </para></listitem>
4292       <listitem><para> You can use a <literal>deriving</literal> clause on a
4293       <literal>data instance</literal> or <literal>newtype instance</literal>
4294       declaration.
4295       </para></listitem>
4296       </itemizedlist>
4297     </para>
4298
4299     <para>
4300       Even if type families are defined as toplevel declarations, functions
4301       that perform different computations for different family instances may still
4302       need to be defined as methods of type classes.  In particular, the
4303       following is not possible: 
4304 <programlisting>
4305 data family T a
4306 data instance T Int  = A
4307 data instance T Char = B
4308 foo :: T a -> Int
4309 foo A = 1             -- WRONG: These two equations together...
4310 foo B = 2             -- ...will produce a type error.
4311 </programlisting>
4312 Instead, you would have to write <literal>foo</literal> as a class operation, thus:
4313 <programlisting>
4314 class C a where 
4315   foo :: T a -> Int
4316 instance Foo Int where
4317   foo A = 1
4318 instance Foo Char where
4319   foo B = 2
4320 </programlisting>
4321       (Given the functionality provided by GADTs (Generalised Algebraic Data
4322       Types), it might seem as if a definition, such as the above, should be
4323       feasible.  However, type families are - in contrast to GADTs - are
4324       <emphasis>open;</emphasis> i.e., new instances can always be added,
4325       possibly in other 
4326       modules.  Supporting pattern matching across different data instances
4327       would require a form of extensible case construct.)
4328     </para>
4329
4330     <sect4 id="assoc-data-inst">
4331       <title>Associated data instances</title>
4332       <para>
4333         When an associated data family instance is declared within a type
4334         class instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the
4335         family instance.  So, the <literal>Either</literal> instance
4336         for <literal>GMap</literal> becomes: 
4337 <programlisting>
4338 instance (GMapKey a, GMapKey b) => GMapKey (Either a b) where
4339   data GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4340   ...
4341 </programlisting>
4342         The most important point about associated family instances is that the
4343         type indexes corresponding to class parameters must be identical to
4344         the type given in the instance head; here this is the first argument
4345         of <literal>GMap</literal>, namely <literal>Either a b</literal>,
4346         which coincides with the only class parameter.  Any parameters to the
4347         family constructor that do not correspond to class parameters, need to
4348         be variables in every instance; here this is the
4349         variable <literal>v</literal>. 
4350       </para>
4351       <para>
4352         Instances for an associated family can only appear as part of
4353         instances declarations of the class in which the family was declared -
4354         just as with the equations of the methods of a class.  Also in
4355         correspondence to how methods are handled, declarations of associated
4356         types can be omitted in class instances.  If an associated family
4357         instance is omitted, the corresponding instance type is not inhabited;
4358         i.e., only diverging expressions, such
4359         as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4360       </para>
4361     </sect4>
4362
4363     <sect4 id="scoping-class-params">
4364       <title>Scoping of class parameters</title>
4365       <para>
4366         In the case of multi-parameter type classes, the visibility of class
4367         parameters in the right-hand side of associated family instances
4368         depends <emphasis>solely</emphasis> on the parameters of the data
4369         family.  As an example, consider the simple class declaration 
4370 <programlisting>
4371 class C a b where
4372   data T a
4373 </programlisting>
4374         Only one of the two class parameters is a parameter to the data
4375         family.  Hence, the following instance declaration is invalid: 
4376 <programlisting>
4377 instance C [c] d where
4378   data T [c] = MkT (c, d)    -- WRONG!!  'd' is not in scope
4379 </programlisting>
4380         Here, the right-hand side of the data instance mentions the type
4381         variable <literal>d</literal> that does not occur in its left-hand
4382         side.  We cannot admit such data instances as they would compromise
4383         type safety. 
4384       </para>
4385     </sect4>
4386
4387     <sect4 id="family-class-inst">
4388       <title>Type class instances of family instances</title>
4389       <para>
4390         Type class instances of instances of data families can be defined as
4391         usual, and in particular data instance declarations can
4392         have <literal>deriving</literal> clauses.  For example, we can write 
4393 <programlisting>
4394 data GMap () v = GMapUnit (Maybe v)
4395                deriving Show
4396 </programlisting>
4397         which implicitly defines an instance of the form
4398 <programlisting>
4399 instance Show v => Show (GMap () v) where ...
4400 </programlisting>
4401       </para>
4402       <para>
4403         Note that class instances are always for
4404         particular <emphasis>instances</emphasis> of a data family and never
4405         for an entire family as a whole.  This is for essentially the same
4406         reasons that we cannot define a toplevel function that performs
4407         pattern matching on the data constructors
4408         of <emphasis>different</emphasis> instances of a single type family.
4409         It would require a form of extensible case construct. 
4410       </para>
4411     </sect4>
4412
4413     <sect4 id="data-family-overlap">
4414       <title>Overlap of data instances</title>
4415       <para>
4416         The instance declarations of a data family used in a single program
4417         may not overlap at all, independent of whether they are associated or
4418         not.  In contrast to type class instances, this is not only a matter
4419         of consistency, but one of type safety. 
4420       </para>
4421     </sect4>
4422
4423   </sect3>
4424
4425   <sect3 id="data-family-import-export">
4426     <title>Import and export</title>
4427
4428     <para>
4429       The association of data constructors with type families is more dynamic
4430       than that is the case with standard data and newtype declarations.  In
4431       the standard case, the notation <literal>T(..)</literal> in an import or
4432       export list denotes the type constructor and all the data constructors
4433       introduced in its declaration.  However, a family declaration never
4434       introduces any data constructors; instead, data constructors are
4435       introduced by family instances.  As a result, which data constructors
4436       are associated with a type family depends on the currently visible
4437       instance declarations for that family.  Consequently, an import or
4438       export item of the form <literal>T(..)</literal> denotes the family
4439       constructor and all currently visible data constructors - in the case of
4440       an export item, these may be either imported or defined in the current
4441       module.  The treatment of import and export items that explicitly list
4442       data constructors, such as <literal>GMap(GMapEither)</literal>, is
4443       analogous. 
4444     </para>
4445
4446     <sect4 id="data-family-impexp-assoc">
4447       <title>Associated families</title>
4448       <para>
4449         As expected, an import or export item of the
4450         form <literal>C(..)</literal> denotes all of the class' methods and
4451         associated types.  However, when associated types are explicitly
4452         listed as subitems of a class, we need some new syntax, as uppercase
4453         identifiers as subitems are usually data constructors, not type
4454         constructors.  To clarify that we denote types here, each associated
4455         type name needs to be prefixed by the keyword <literal>type</literal>.
4456         So for example, when explicitly listing the components of
4457         the <literal>GMapKey</literal> class, we write <literal>GMapKey(type
4458         GMap, empty, lookup, insert)</literal>. 
4459       </para>
4460     </sect4>
4461
4462     <sect4 id="data-family-impexp-examples">
4463       <title>Examples</title>
4464       <para>
4465         Assuming our running <literal>GMapKey</literal> class example, let us
4466         look at some export lists and their meaning: 
4467         <itemizedlist>
4468           <listitem>
4469             <para><literal>module GMap (GMapKey) where...</literal>: Exports
4470               just the class name.</para>
4471           </listitem>
4472           <listitem>
4473             <para><literal>module GMap (GMapKey(..)) where...</literal>:
4474               Exports the class, the associated type <literal>GMap</literal>
4475               and the member
4476               functions <literal>empty</literal>, <literal>lookup</literal>,
4477               and <literal>insert</literal>.  None of the data constructors is 
4478               exported.</para>
4479           </listitem> 
4480           <listitem>
4481             <para><literal>module GMap (GMapKey(..), GMap(..))
4482                 where...</literal>: As before, but also exports all the data
4483               constructors <literal>GMapInt</literal>, 
4484               <literal>GMapChar</literal>,  
4485               <literal>GMapUnit</literal>, <literal>GMapPair</literal>,
4486               and <literal>GMapUnit</literal>.</para>
4487           </listitem>
4488           <listitem>
4489             <para><literal>module GMap (GMapKey(empty, lookup, insert),
4490             GMap(..)) where...</literal>: As before.</para>
4491           </listitem>
4492           <listitem>
4493             <para><literal>module GMap (GMapKey, empty, lookup, insert, GMap(..))
4494                 where...</literal>: As before.</para>
4495           </listitem>
4496         </itemizedlist>
4497       </para>
4498       <para>
4499         Finally, you can write <literal>GMapKey(type GMap)</literal> to denote
4500         both the class <literal>GMapKey</literal> as well as its associated
4501         type <literal>GMap</literal>.  However, you cannot
4502         write <literal>GMapKey(type GMap(..))</literal> &mdash; i.e.,
4503         sub-component specifications cannot be nested.  To
4504         specify <literal>GMap</literal>'s data constructors, you have to list
4505         it separately. 
4506       </para>
4507     </sect4>
4508
4509     <sect4 id="data-family-impexp-instances">
4510       <title>Instances</title>
4511       <para>
4512         Family instances are implicitly exported, just like class instances.
4513         However, this applies only to the heads of instances, not to the data
4514         constructors an instance defines. 
4515       </para>
4516     </sect4>
4517
4518   </sect3>
4519
4520 </sect2>
4521
4522 <sect2 id="synonym-families">
4523   <title>Synonym families</title>
4524
4525   <para>
4526     Type families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4527     toplevel or (2) they can appear inside type classes (in which case they
4528     are known as associated type synonyms).  The former is the more general
4529     variant, as it lacks the requirement for the type-indexes to coincide with
4530     the class parameters.  However, the latter can lead to more clearly
4531     structured code and compiler warnings if some type instances were -
4532     possibly accidentally - omitted.  In the following, we always discuss the
4533     general toplevel form first and then cover the additional constraints
4534     placed on associated types.
4535   </para>
4536
4537   <sect3 id="type-family-declarations">
4538     <title>Type family declarations</title>
4539
4540     <para>
4541       Indexed type families are introduced by a signature, such as 
4542 <programlisting>
4543 type family Elem c :: *
4544 </programlisting>
4545       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4546       type declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4547       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is 
4548 <programlisting>
4549 type family Elem c
4550 </programlisting>
4551       Parameters can also be given explicit kind signatures if needed.  We
4552       call the number of parameters in a type family declaration, the family's
4553       arity, and all applications of a type family must be fully saturated
4554       w.r.t. to that arity.  This requirement is unlike ordinary type synonyms
4555       and it implies that the kind of a type family is not sufficient to
4556       determine a family's arity, and hence in general, also insufficient to
4557       determine whether a type family application is well formed.  As an
4558       example, consider the following declaration: 
4559 <programlisting>
4560 type family F a b :: * -> *   -- F's arity is 2, 
4561                               -- although its overall kind is * -> * -> * -> *
4562 </programlisting>
4563       Given this declaration the following are examples of well-formed and
4564       malformed types: 
4565 <programlisting>
4566 F Char [Int]       -- OK!  Kind: * -> *
4567 F Char [Int] Bool  -- OK!  Kind: *
4568 F IO Bool          -- WRONG: kind mismatch in the first argument
4569 F Bool             -- WRONG: unsaturated application
4570 </programlisting>
4571       </para>
4572
4573     <sect4 id="assoc-type-family-decl">
4574       <title>Associated type family declarations</title>
4575       <para>
4576         When a type family is declared as part of a type class, we drop
4577         the <literal>family</literal> special.  The <literal>Elem</literal>
4578         declaration takes the following form 
4579 <programlisting>
4580 class Collects ce where
4581   type Elem ce :: *
4582   ...
4583 </programlisting>
4584         The argument names of the type family must be class parameters.  Each
4585         class parameter may only be used at most once per associated type, but
4586         some may be omitted and they may be in an order other than in the
4587         class head.  Hence, the following contrived example is admissible: 
4588 <programlisting>
4589 class C a b c where
4590   type T c a :: *
4591 </programlisting>
4592         These rules are exactly as for associated data families.
4593       </para>
4594     </sect4>
4595   </sect3>
4596
4597   <sect3 id="type-instance-declarations">
4598     <title>Type instance declarations</title>
4599     <para>
4600       Instance declarations of type families are very similar to standard type
4601       synonym declarations.  The only two differences are that the
4602       keyword <literal>type</literal> is followed
4603       by <literal>instance</literal> and that some or all of the type
4604       arguments can be non-variable types, but may not contain forall types or
4605       type synonym families. However, data families are generally allowed, and
4606       type synonyms are allowed as long as they are fully applied and expand
4607       to a type that is admissible - these are the exact same requirements as
4608       for data instances.  For example, the <literal>[e]</literal> instance
4609       for <literal>Elem</literal> is 
4610 <programlisting>
4611 type instance Elem [e] = e
4612 </programlisting>
4613     </para>
4614     <para>
4615       Type family instance declarations are only legitimate when an
4616       appropriate family declaration is in scope - just like class instances
4617       require the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4618       declaration has to conform to the kind determined by its family
4619       declaration, and the number of type parameters in an instance
4620       declaration must match the number of type parameters in the family
4621       declaration.   Finally, the right-hand side of a type instance must be a
4622       monotype (i.e., it may not include foralls) and after the expansion of
4623       all saturated vanilla type synonyms, no synonyms, except family synonyms
4624       may remain.  Here are some examples of admissible and illegal type
4625       instances: 
4626 <programlisting>
4627 type family F a :: *
4628 type instance F [Int]              = Int         -- OK!
4629 type instance F String             = Char        -- OK!
4630 type instance F (F a)              = a           -- WRONG: type parameter mentions a type family
4631 type instance F (forall a. (a, b)) = b           -- WRONG: a forall type appears in a type parameter
4632 type instance F Float              = forall a.a  -- WRONG: right-hand side may not be a forall type
4633
4634 type family G a b :: * -> *
4635 type instance G Int            = (,)     -- WRONG: must be two type parameters
4636 type instance G Int Char Float = Double  -- WRONG: must be two type parameters
4637 </programlisting>
4638     </para>
4639
4640     <sect4 id="assoc-type-instance">
4641       <title>Associated type instance declarations</title>
4642       <para>
4643         When an associated family instance is declared within a type class
4644         instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the family
4645         instance.  So, the <literal>[e]</literal> instance
4646         for <literal>Elem</literal> becomes: 
4647 <programlisting>
4648 instance (Eq (Elem [e])) => Collects ([e]) where
4649   type Elem [e] = e
4650   ...
4651 </programlisting>
4652         The most important point about associated family instances is that the
4653         type indexes corresponding to class parameters must be identical to the
4654         type given in the instance head; here this is <literal>[e]</literal>,
4655         which coincides with the only class parameter. 
4656       </para>
4657       <para>
4658         Instances for an associated family can only appear as part of  instances
4659         declarations of the class in which the family was declared - just as
4660         with the equations of the methods of a class.  Also in correspondence to
4661         how methods are handled, declarations of associated types can be omitted
4662         in class instances.  If an associated family instance is omitted, the
4663         corresponding instance type is not inhabited; i.e., only diverging
4664         expressions, such as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4665       </para>
4666     </sect4>
4667
4668     <sect4 id="type-family-overlap">
4669       <title>Overlap of type synonym instances</title>
4670       <para>
4671         The instance declarations of a type family used in a single program
4672         may only overlap if the right-hand sides of the overlapping instances
4673         coincide for the overlapping types.  More formally, two instance
4674         declarations overlap if there is a substitution that makes the
4675         left-hand sides of the instances syntactically the same.  Whenever
4676         that is the case, the right-hand sides of the instances must also be
4677         syntactically equal under the same substitution.  This condition is
4678         independent of whether the type family is associated or not, and it is
4679         not only a matter of consistency, but one of type safety. 
4680       </para>
4681       <para>
4682         Here are two example to illustrate the condition under which overlap
4683         is permitted. 
4684 <programlisting>
4685 type instance F (a, Int) = [a]
4686 type instance F (Int, b) = [b]   -- overlap permitted
4687
4688 type instance G (a, Int)  = [a]
4689 type instance G (Char, a) = [a]  -- ILLEGAL overlap, as [Char] /= [Int]
4690 </programlisting>
4691       </para>
4692     </sect4>
4693
4694     <sect4 id="type-family-decidability">
4695       <title>Decidability of type synonym instances</title>
4696       <para>
4697         In order to guarantee that type inference in the presence of type
4698         families decidable, we need to place a number of additional
4699         restrictions on the formation of type instance declarations (c.f.,
4700         Definition 5 (Relaxed Conditions) of &ldquo;<ulink 
4701         url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4702           Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;).  Instance
4703           declarations have the general form 
4704 <programlisting>
4705 type instance F t1 .. tn = t
4706 </programlisting>
4707         where we require that for every type family application <literal>(G s1
4708         .. sm)</literal> in <literal>t</literal>,  
4709         <orderedlist>
4710           <listitem>
4711             <para><literal>s1 .. sm</literal> do not contain any type family
4712             constructors,</para>
4713           </listitem>
4714           <listitem>
4715             <para>the total number of symbols (data type constructors and type
4716             variables) in <literal>s1 .. sm</literal> is strictly smaller than
4717             in <literal>t1 .. tn</literal>, and</para> 
4718           </listitem>
4719           <listitem>
4720             <para>for every type
4721             variable <literal>a</literal>, <literal>a</literal> occurs
4722             in <literal>s1 .. sm</literal> at most as often as in <literal>t1
4723             .. tn</literal>.</para>
4724           </listitem>
4725         </orderedlist>
4726         These restrictions are easily verified and ensure termination of type
4727         inference.  However, they are not sufficient to guarantee completeness
4728         of type inference in the presence of, so called, ''loopy equalities'',
4729         such as <literal>a ~ [F a]</literal>, where a recursive occurrence of
4730         a type variable is underneath a family application and data
4731         constructor application - see the above mentioned paper for details.   
4732       </para>
4733       <para>
4734         If the option <option>-XUndecidableInstances</option> is passed to the
4735         compiler, the above restrictions are not enforced and it is on the
4736         programmer to ensure termination of the normalisation of type families
4737         during type inference. 
4738       </para>
4739     </sect4>
4740   </sect3>
4741
4742   <sect3 id-="equality-constraints">
4743     <title>Equality constraints</title>
4744     <para>
4745       Type context can include equality constraints of the form <literal>t1 ~
4746       t2</literal>, which denote that the types <literal>t1</literal>
4747       and <literal>t2</literal> need to be the same.  In the presence of type
4748       families, whether two types are equal cannot generally be decided
4749       locally.  Hence, the contexts of function signatures may include
4750       equality constraints, as in the following example: 
4751 <programlisting>
4752 sumCollects :: (Collects c1, Collects c2, Elem c1 ~ Elem c2) => c1 -> c2 -> c2
4753 </programlisting>
4754       where we require that the element type of <literal>c1</literal>
4755       and <literal>c2</literal> are the same.  In general, the
4756       types <literal>t1</literal> and <literal>t2</literal> of an equality
4757       constraint may be arbitrary monotypes; i.e., they may not contain any
4758       quantifiers, independent of whether higher-rank types are otherwise
4759       enabled. 
4760     </para>
4761     <para>
4762       Equality constraints can also appear in class and instance contexts.
4763       The former enable a simple translation of programs using functional
4764       dependencies into programs using family synonyms instead.  The general
4765       idea is to rewrite a class declaration of the form 
4766 <programlisting>
4767 class C a b | a -> b
4768 </programlisting>
4769       to
4770 <programlisting>
4771 class (F a ~ b) => C a b where
4772   type F a
4773 </programlisting>
4774       That is, we represent every functional dependency (FD) <literal>a1 .. an
4775       -> b</literal> by an FD type family <literal>F a1 .. an</literal> and a
4776       superclass context equality <literal>F a1 .. an ~ b</literal>,
4777       essentially giving a name to the functional dependency.  In class
4778       instances, we define the type instances of FD families in accordance
4779       with the class head.  Method signatures are not affected by that
4780       process. 
4781     </para>
4782     <para>
4783       NB: Equalities in superclass contexts are not fully implemented in
4784       GHC 6.10. 
4785     </para>
4786   </sect3>
4787
4788   <sect3 id-="ty-fams-in-instances">
4789     <title>Type families and instance declarations</title>
4790     <para>Type families require us to extend the rules for 
4791       the form of instance heads, which are given 
4792       in <xref linkend="flexible-instance-head"/>.
4793       Specifically:
4794 <itemizedlist>
4795  <listitem><para>Data type families may appear in an instance head</para></listitem>
4796  <listitem><para>Type synonym families may not appear (at all) in an instance head</para></listitem>
4797 </itemizedlist>
4798 The reason for the latter restriction is that there is no way to check for. Consider
4799 <programlisting>
4800    type family F a
4801    type instance F Bool = Int
4802
4803    class C a
4804
4805    instance C Int
4806    instance C (F a)
4807 </programlisting>
4808 Now a constraint <literal>(C (F Bool))</literal> would match both instances.
4809 The situation is especially bad because the type instance for <literal>F Bool</literal>
4810 might be in another module, or even in a module that is not yet written.
4811 </para>
4812 </sect3>
4813 </sect2>
4814
4815 </sect1>
4816
4817 <sect1 id="other-type-extensions">
4818 <title>Other type system extensions</title>
4819
4820 <sect2 id="explicit-foralls"><title>Explicit universal quantification (forall)</title>
4821 <para>
4822 Haskell type signatures are implicitly quantified.  When the language option <option>-XExplicitForAll</option>
4823 is used, the keyword <literal>forall</literal>
4824 allows us to say exactly what this means.  For example:
4825 </para>
4826 <para>
4827 <programlisting>
4828         g :: b -> b
4829 </programlisting>
4830 means this:
4831 <programlisting>
4832         g :: forall b. (b -> b)
4833 </programlisting>
4834 The two are treated identically.
4835 </para>
4836 <para>
4837 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
4838 a type variable any more!
4839 </para>
4840 </sect2>
4841
4842
4843 <sect2 id="flexible-contexts"><title>The context of a type signature</title>
4844 <para>
4845 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag lifts the Haskell 98 restriction
4846 that the type-class constraints in a type signature must have the 
4847 form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
4848 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>. 
4849 With <option>-XFlexibleContexts</option>
4850 these type signatures are perfectly OK
4851 <programlisting>
4852   g :: Eq [a] => ...
4853   g :: Ord (T a ()) => ...
4854 </programlisting>
4855 The flag <option>-XFlexibleContexts</option> also lifts the corresponding
4856 restriction on class declarations (<xref linkend="superclass-rules"/>) and instance declarations
4857 (<xref linkend="instance-rules"/>).
4858 </para>
4859
4860 <para>
4861 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
4862 Consider the type:
4863
4864 <programlisting>
4865   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
4866 </programlisting>
4867
4868 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
4869 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
4870 explicit source-language type signature are universally quantified,
4871 except for the class type variables in a class declaration.  However,
4872 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="explicit-foralls"/>).
4873 </para>
4874
4875 <para>
4876
4877 <orderedlist>
4878 <listitem>
4879
4880 <para>
4881  <emphasis>Each universally quantified type variable
4882 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
4883
4884 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it appears
4885 in the same constraint as either a type variable free in
4886 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
4887 A value with a type that does not obey 
4888 this reachability restriction cannot be used without introducing
4889 ambiguity; that is why the type is rejected.
4890 Here, for example, is an illegal type:
4891
4892
4893 <programlisting>
4894   forall a. Eq a => Int
4895 </programlisting>
4896
4897
4898 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
4899 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
4900 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
4901 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
4902 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
4903 get any more information about <literal>tv</literal>.
4904 </para>
4905 <para>
4906 Note
4907 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
4908 functionally dependent on a type variable free in
4909 <literal>type</literal> (see <xref
4910 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
4911 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
4912 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
4913 For example, consider:
4914 <programlisting>
4915   class C a b | a -> b where ...
4916   class C a b => D a b where ...
4917   f :: forall a b. D a b => a -> a
4918 </programlisting>
4919 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
4920 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
4921 </para>
4922 </listitem>
4923 <listitem>
4924
4925 <para>
4926  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
4927 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
4928
4929 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
4930 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
4931
4932
4933 <programlisting>
4934   forall a. C a b => burble
4935 </programlisting>
4936
4937
4938 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
4939 mention <literal>a</literal>:
4940
4941
4942 <programlisting>
4943   forall a. Eq b => burble
4944 </programlisting>
4945
4946
4947 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
4948 excluded types are never useful or necessary (because the offending
4949 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
4950 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
4951 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
4952 territory free in case we need it later.
4953
4954 </para>
4955 </listitem>
4956
4957 </orderedlist>
4958
4959 </para>
4960
4961 </sect2>
4962
4963 <sect2 id="implicit-parameters">
4964 <title>Implicit parameters</title>
4965
4966 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
4967 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
4968 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
4969 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
4970 Boston, Jan 2000.
4971 </para>
4972
4973 <para>(Most of the following, still rather incomplete, documentation is
4974 due to Jeff Lewis.)</para>
4975
4976 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
4977 <option>-XImplicitParams</option>.</para>
4978
4979 <para>
4980 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
4981 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
4982 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
4983 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
4984 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
4985 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
4986 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
4987 only support static scoping of variables.
4988 </para>
4989 <para>
4990 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
4991 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
4992 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
4993 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
4994 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
4995 of type <literal>t'</literal>". For
4996 example, the following expresses the type of a sort function,
4997 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
4998 <programlisting>
4999   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
5000 </programlisting>
5001 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
5002 </para>
5003 <para>
5004 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
5005 where <literal>x</literal> is
5006 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
5007 Use of this construct also introduces a new
5008 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
5009 For example, the following definition
5010 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
5011 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
5012 <programlisting>
5013   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
5014
5015   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
5016   sort    = sortBy ?cmp
5017 </programlisting>
5018 </para>
5019
5020 <sect3>
5021 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
5022 <para>
5023 Dynamic binding constraints behave just like other type class
5024 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
5025 function is used, its implicit parameters are inherited by the
5026 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
5027 to pick out the least value in a list:
5028 <programlisting>
5029   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
5030   least xs = head (sort xs)
5031 </programlisting>
5032 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
5033 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
5034 parameters, the default is that parameters must always be explicit
5035 propagated. With implicit parameters, the default is to always
5036 propagate them.
5037 </para>
5038 <para>
5039 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
5040 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
5041 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
5042 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
5043 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
5044 class constraints.
5045 </para>
5046
5047 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
5048 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
5049 <programlisting>
5050   class (?x::Int) => C a where ...
5051   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
5052 </programlisting>
5053 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
5054 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
5055 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
5056 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
5057 <para>
5058 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
5059 <programlisting>
5060    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
5061    f n = n + length ?x
5062
5063    g :: (Read a, Show a) => String -> String
5064    g s = show (read s)
5065 </programlisting>
5066 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
5067 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
5068 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
5069 </para>
5070 </sect3>
5071
5072 <sect3>
5073 <title>Implicit-parameter bindings</title>
5074
5075 <para>
5076 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
5077 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
5078 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
5079 <literal>cmp</literal>.
5080 <programlisting>
5081   min :: [a] -> a
5082   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
5083 </programlisting>
5084 </para>
5085 <para>
5086 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
5087 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
5088 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
5089 or a <literal>where</literal> clause.
5090 Note the following points:
5091 <itemizedlist>
5092 <listitem><para>
5093 An implicit-parameter binding group must be a
5094 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
5095 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
5096 neither polymorphic or recursive.  
5097 </para></listitem>
5098 <listitem><para>
5099 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
5100 single <literal>let</literal>
5101 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
5102 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
5103 </para></listitem>
5104
5105 <listitem><para>
5106 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
5107 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
5108 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
5109 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
5110 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
5111 the meaning of the program.
5112 For example, consider:
5113 <programlisting>
5114   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
5115 </programlisting>
5116 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
5117 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
5118 <programlisting>
5119   f :: (?x::Int) => Int -> Int
5120 </programlisting>
5121 </para></listitem>
5122 </itemizedlist>
5123 </para>
5124
5125 </sect3>
5126
5127 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
5128
5129 <para>
5130 Consider these two definitions:
5131 <programlisting>
5132   len1 :: [a] -> Int
5133   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
5134
5135   len_acc1 [] = ?acc
5136   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
5137
5138   ------------
5139
5140   len2 :: [a] -> Int
5141   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
5142
5143   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
5144   len_acc2 [] = ?acc
5145   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
5146 </programlisting>
5147 The only difference between the two groups is that in the second group
5148 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
5149 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
5150 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
5151 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
5152 has a type signature, the recursive call is made to the
5153 <emphasis>polymorphic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
5154 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
5155 <programlisting>
5156   Prog> len1 "hello"
5157   0
5158   Prog> len2 "hello"
5159   5
5160 </programlisting>
5161 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
5162 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
5163 </para>
5164 </sect3>
5165
5166 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
5167
5168 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
5169 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
5170 <programlisting>
5171  f :: Int -> Int
5172   f v = let ?x = 0     in
5173         let y = ?x + v in
5174         let ?x = 5     in
5175         y
5176 </programlisting>
5177 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
5178 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
5179 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
5180 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
5181 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
5182 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
5183 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
5184 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
5185 <literal>14</literal>.
5186 </para>
5187 </sect3>
5188 </sect2>
5189
5190     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
5191
5192     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
5193     them from the 6.6 user manual
5194
5195 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
5196 <title>Linear implicit parameters</title>
5197 <para>
5198 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
5199 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
5200 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
5201 </para>
5202 <itemizedlist>
5203 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
5204 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
5205 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
5206 </itemizedlist>
5207
5208 <para>
5209 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
5210 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
5211 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
5212 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
5213 (The '/' in the '%' suggests the split!)
5214 </para>
5215 <para>
5216 For example:
5217 <programlisting>
5218     import GHC.Exts( Splittable )
5219
5220     data NameSupply = ...
5221     
5222     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
5223     newName :: NameSupply -> Name
5224
5225     instance Splittable NameSupply where
5226         split = splitNS
5227
5228
5229     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5230     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5231                     where
5232                       x'   = newName %ns
5233                       env' = extend env x x'
5234     ...more equations for f...
5235 </programlisting>
5236 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
5237 <itemizedlist>
5238 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
5239 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
5240 </itemizedlist>
5241 </para>
5242 <para>
5243 So the translation done by the type checker makes
5244 the parameter explicit:
5245 <programlisting>
5246     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
5247     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
5248                        where
5249                          (ns1,ns2) = splitNS ns
5250                          x' = newName ns2
5251                          env = extend env x x'
5252 </programlisting>
5253 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
5254 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
5255 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
5256 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
5257 <programlisting>
5258         class Splittable a where
5259           split :: a -> (a,a)
5260 </programlisting>
5261 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
5262 split for name supplies.  But we can simply write
5263 <programlisting>
5264         g x = (x, %ns, %ns)
5265 </programlisting>
5266 and GHC will infer
5267 <programlisting>
5268         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
5269 </programlisting>
5270 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
5271 <literal>GHC.Exts</literal>.
5272 </para>
5273 <para>
5274 Other points:
5275 <itemizedlist>
5276 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
5277 are entirely distinct implicit parameters: you 
5278   can use them together and they won't interfere with each other. </para>
5279 </listitem>
5280
5281 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
5282
5283 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
5284   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
5285 </itemizedlist>
5286 </para>
5287
5288 <sect3><title>Warnings</title>
5289
5290 <para>
5291 The monomorphism restriction is even more important than usual.
5292 Consider the example above:
5293 <programlisting>
5294     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5295     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5296                     where
5297                       x'   = newName %ns
5298                       env' = extend env x x'
5299 </programlisting>
5300 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
5301 usually a harmless thing to do, we get:
5302 <programlisting>
5303     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5304     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
5305                     where
5306                       env' = extend env x (newName %ns)
5307 </programlisting>
5308 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
5309 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
5310 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
5311 the beta rule.
5312 </para>
5313 <para>
5314 Well, this is an experimental change.  With implicit
5315 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
5316 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
5317 Haskell programs without knowing their typing.
5318 </para>
5319
5320 </sect3>
5321
5322 <sect3><title>Recursive functions</title>
5323 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
5324 Consider
5325 <programlisting>
5326         foo :: %x::T => Int -> [Int]
5327         foo 0 = []
5328         foo n = %x : foo (n-1)
5329 </programlisting>
5330 where T is some type in class Splittable.</para>
5331 <para>
5332 Do you get a list of all the same T's or all different T's
5333 (assuming that split gives two distinct T's back)?
5334 </para><para>
5335 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
5336 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
5337 translated term, where the implicit param is made explicit:
5338 <programlisting>
5339         foo x 0 = []
5340         foo x n = let (x1,x2) = split x
5341                   in x1 : foo x2 (n-1)
5342 </programlisting>
5343 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
5344 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
5345 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
5346 work.  So the translation becomes
5347 <programlisting>
5348         foo x = let
5349                   foom 0 = []
5350                   foom n = x : foom (n-1)
5351                 in
5352                 foom
5353 </programlisting>
5354 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
5355 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
5356 Yikes!
5357 </para><para>
5358 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
5359 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
5360 </para>
5361 </sect3>
5362
5363 </sect2>
5364
5365 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
5366
5367 <sect2 id="kinding">
5368 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
5369
5370 <para>
5371 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
5372 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
5373 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
5374 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
5375 John Hughes had to define the data type:
5376 <screen>
5377      data Set cxt a = Set [a]
5378                     | Unused (cxt a -> ())
5379 </screen>
5380 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
5381 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
5382 </para>
5383 <para>
5384 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
5385 a type variable is explicitly bound, with the flag <option>-XKindSignatures</option>.
5386 </para>
5387 <para>
5388 This flag enables kind signatures in the following places:
5389 <itemizedlist>
5390 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
5391 <screen>
5392   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
5393 </screen></para></listitem>
5394 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
5395 <screen>
5396   type T (f :: * -> *) = f Int
5397 </screen></para></listitem>
5398 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
5399 <screen>
5400   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
5401 </screen></para></listitem>
5402 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
5403 <screen>
5404   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
5405 </screen></para></listitem>
5406 </itemizedlist>
5407 </para>
5408
5409 <para>
5410 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
5411 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
5412 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
5413 single lexeme in Haskell.
5414 </para>
5415
5416 <para>
5417 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
5418 as well.  Thus:
5419 <screen>
5420    f :: (Int :: *) -> Int
5421    g :: forall a. a -> (a :: *)
5422 </screen>
5423 The syntax is
5424 <screen>
5425    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
5426 </screen>
5427 The parentheses are required.
5428 </para>
5429 </sect2>
5430
5431
5432 <sect2 id="universal-quantification">
5433 <title>Arbitrary-rank polymorphism
5434 </title>
5435
5436 <para>
5437 GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
5438 explicit universal quantification in
5439 types. 
5440 For example, all the following types are legal:
5441 <programlisting>
5442     f1 :: forall a b. a -> b -> a
5443     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
5444
5445     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
5446     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
5447
5448     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
5449
5450     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
5451 </programlisting>
5452 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
5453 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
5454 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
5455 is implicitly added by Haskell.
5456 </para>
5457 <para>
5458 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
5459 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
5460 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
5461 </para>
5462 <para>
5463 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
5464 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
5465 </para>
5466 <para>
5467 GHC has three flags to control higher-rank types:
5468 <itemizedlist>
5469 <listitem><para>
5470  <option>-XPolymorphicComponents</option>: data constructors (only) can have polymorphic argument types.
5471 </para></listitem>
5472 <listitem><para>
5473  <option>-XRank2Types</option>: any function (including data constructors) can have a rank-2 type.
5474 </para></listitem>
5475 <listitem><para>
5476  <option>-XRankNTypes</option>: any function (including data constructors) can have an arbitrary-rank type.
5477 That is,  you can nest <literal>forall</literal>s
5478 arbitrarily deep in function arrows.
5479 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
5480 including an operational type class context, is legal:
5481 <itemizedlist>
5482 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
5483 of a function arrow </para> </listitem>
5484 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
5485 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
5486 field type signatures.</para> </listitem>
5487 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
5488 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
5489 </itemizedlist>
5490 </para></listitem>
5491 </itemizedlist>
5492 </para>
5493
5494
5495 <sect3 id="univ">
5496 <title>Examples
5497 </title>
5498
5499 <para>
5500 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
5501 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
5502 </para>
5503
5504 <para>
5505
5506 <programlisting>
5507 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
5508
5509 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
5510                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
5511                         }
5512
5513 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
5514 </programlisting>
5515
5516 </para>
5517
5518 <para>
5519 The constructors have rank-2 types:
5520 </para>
5521
5522 <para>
5523
5524 <programlisting>
5525 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
5526 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
5527                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
5528                   -> MonadT m
5529 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
5530 </programlisting>
5531
5532 </para>
5533
5534 <para>
5535 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
5536 explicit context.  For example in the first argument of the
5537 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
5538 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
5539 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
5540 mentioned in the type quantified over.
5541 </para>
5542
5543 <para>
5544 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
5545 types too.  So if you write this:
5546
5547 <programlisting>
5548   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
5549 </programlisting>
5550
5551 it's just as if you had written this:
5552
5553 <programlisting>
5554   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
5555 </programlisting>
5556
5557 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
5558 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
5559 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
5560 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
5561 </para>
5562
5563 <para>
5564 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
5565 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
5566 </para>
5567
5568 <para>
5569
5570 <programlisting>
5571     a1 :: T Int
5572     a1 = T1 (\xy->x) 3
5573     
5574     a2, a3 :: Swizzle
5575     a2 = MkSwizzle sort
5576     a3 = MkSwizzle reverse
5577     
5578     a4 :: MonadT Maybe
5579     a4 = let r x = Just x
5580              b m k = case m of
5581                        Just y -> k y
5582                        Nothing -> Nothing
5583          in
5584          MkMonad r b
5585
5586     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
5587     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
5588 </programlisting>
5589
5590 </para>
5591
5592 <para>
5593 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
5594 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
5595 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
5596 </para>
5597
5598 <para>
5599 When you use pattern matching, the bound variables may now have
5600 polymorphic types.  For example:
5601 </para>
5602
5603 <para>
5604
5605 <programlisting>
5606     f :: T a -> a -> (a, Char)
5607     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5608
5609     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
5610     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
5611
5612     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
5613     h m [] = return m []
5614     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
5615                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
5616                  return m (y:ys)
5617 </programlisting>
5618
5619 </para>
5620
5621 <para>
5622 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
5623 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
5624 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
5625 matching.
5626 </para>
5627 </sect3>
5628
5629 <sect3>
5630 <title>Type inference</title>
5631
5632 <para>
5633 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
5634 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
5635 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
5636 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
5637 </para>
5638 <para>
5639 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
5640 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
5641 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
5642 </para>
5643 <para>
5644 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
5645 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
5646 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
5647 <programlisting>
5648      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
5649 </programlisting>
5650 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
5651 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
5652 <programlisting>
5653      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5654 </programlisting>
5655 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
5656 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
5657 one can give a type signature for the function itself:
5658 <programlisting>
5659      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5660      h f = (f True, f 'c')
5661 </programlisting>
5662 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
5663 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
5664 <programlisting>
5665     f :: T a -> a -> (a, Char)
5666     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5667 </programlisting>
5668 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
5669 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
5670 it needs to know.
5671 </para>
5672
5673 </sect3>
5674
5675
5676 <sect3 id="implicit-quant">
5677 <title>Implicit quantification</title>
5678
5679 <para>
5680 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
5681 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
5682 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
5683 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
5684 equivalent:
5685 <programlisting>
5686   f :: a -> a
5687   f :: forall a. a -> a
5688
5689   g (x::a) = let
5690                 h :: a -> b -> b
5691                 h x y = y
5692              in ...
5693   g (x::a) = let
5694                 h :: forall b. a -> b -> b
5695                 h x y = y
5696              in ...
5697 </programlisting>
5698 </para>
5699 <para>
5700 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
5701 point.  For example:
5702 <programlisting>
5703   f :: (a -> a) -> Int
5704            -- MEANS
5705   f :: forall a. (a -> a) -> Int
5706            -- NOT
5707   f :: (forall a. a -> a) -> Int
5708
5709
5710   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
5711            -- MEANS the illegal type
5712   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
5713            -- NOT
5714   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
5715 </programlisting>
5716 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
5717 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
5718 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
5719 for rank-2 types.
5720 </para>
5721 </sect3>
5722 </sect2>
5723
5724
5725 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
5726 <title>Impredicative polymorphism
5727 </title>
5728 <para><emphasis>NOTE: the impredicative-polymorphism feature is deprecated in GHC 6.12, and
5729 will be removed or replaced in GHC 6.14.</emphasis></para>
5730
5731 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>, 
5732 enabled with <option>-XImpredicativeTypes</option>.  
5733 This means
5734 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
5735 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
5736 <programlisting>
5737   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
5738   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
5739   f Nothing  = Nothing
5740 </programlisting>
5741 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
5742 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
5743 [a])</literal>.
5744 </para>
5745 <para>The technical details of this extension are described in the paper
5746 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy/">Boxy types:
5747 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
5748 which appeared at ICFP 2006.  
5749 </para>
5750 </sect2>
5751
5752 <sect2 id="scoped-type-variables">
5753 <title>Lexically scoped type variables
5754 </title>
5755
5756 <para>
5757 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
5758 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
5759 <programlisting>
5760 f :: forall a. [a] -> [a]
5761 f xs = ys ++ ys
5762      where
5763        ys :: [a]
5764        ys = reverse xs
5765 </programlisting>
5766 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope,
5767 because of the explicit <literal>forall</literal> (<xref linkend="decl-type-sigs"/>).
5768 The type variables bound by a <literal>forall</literal> scope over
5769 the entire definition of the accompanying value declaration.
5770 In this example, the type variable <literal>a</literal> scopes over the whole 
5771 definition of <literal>f</literal>, including over
5772 the type signature for <varname>ys</varname>. 
5773 In Haskell 98 it is not possible to declare
5774 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
5775 it becomes possible to do so.
5776 </para>
5777 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
5778 <option>-XScopedTypeVariables</option>.  This flag implies <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
5779 </para>
5780 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
5781 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
5782 carefully!</para>
5783
5784 <sect3>
5785 <title>Overview</title>
5786
5787 <para>The design follows the following principles
5788 <itemizedlist>
5789 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
5790 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
5791 design.)</para></listitem>
5792 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
5793 type variables.  This means that every programmer-written type signature
5794 (including one that contains free scoped type variables) denotes a
5795 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
5796 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
5797 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
5798 changing the program.</para></listitem>
5799 </itemizedlist>
5800 </para>
5801 <para>
5802 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
5803 <itemizedlist>
5804 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
5805 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
5806 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
5807 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
5808 </itemizedlist>
5809 </para>
5810 <para>
5811 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantified over
5812 its free type variables (<ulink
5813 url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
5814 4.1.2</ulink> 
5815 of the Haskell Report).
5816 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
5817 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
5818 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
5819 then
5820 <programlisting>
5821   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
5822   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
5823   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
5824 </programlisting>
5825 </para>
5826
5827
5828 </sect3>
5829
5830
5831 <sect3 id="decl-type-sigs">
5832 <title>Declaration type signatures</title>
5833 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5834 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5835 explicitly-quantified
5836 type variables, in the definition of the named function.  For example:
5837 <programlisting>
5838   f :: forall a. [a] -> [a]
5839   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5840 </programlisting>
5841 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
5842 the definition of "<literal>f</literal>".
5843 </para>
5844 <para>This only happens if:
5845 <itemizedlist>
5846 <listitem><para> The quantification in <literal>f</literal>'s type
5847 signature is explicit.  For example:
5848 <programlisting>
5849   g :: [a] -> [a]
5850   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5851 </programlisting>
5852 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
5853 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
5854 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
5855 quantification rules.
5856 </para></listitem>
5857 <listitem><para> The signature gives a type for a function binding or a bare variable binding, 
5858 not a pattern binding.
5859 For example:
5860 <programlisting>
5861   f1 :: forall a. [a] -> [a]
5862   f1 (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5863
5864   f2 :: forall a. [a] -> [a]
5865   f2 = \(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5866
5867   f3 :: forall a. [a] -> [a] 
5868   Just f3 = Just (\(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ])   -- Not OK!
5869 </programlisting>
5870 The binding for <literal>f3</literal> is a pattern binding, and so its type signature
5871 does not bring <literal>a</literal> into scope.   However <literal>f1</literal> is a
5872 function binding, and <literal>f2</literal> binds a bare variable; in both cases
5873 the type signature brings <literal>a</literal> into scope.
5874 </para></listitem>
5875 </itemizedlist>
5876 </para>
5877 </sect3>
5878
5879 <sect3 id="exp-type-sigs">
5880 <title>Expression type signatures</title>
5881
5882 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5883 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5884 explicitly-quantified
5885 type variables, in the annotated expression.  For example:
5886 <programlisting>
5887   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
5888 </programlisting>
5889 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
5890 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
5891 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
5892 </para>
5893
5894 </sect3>
5895
5896 <sect3 id="pattern-type-sigs">
5897 <title>Pattern type signatures</title>
5898 <para>
5899 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
5900 signature</emphasis>. 
5901 For example:
5902 <programlisting>
5903   -- f and g assume that 'a' is already in scope
5904   f = \(x::Int, y::a) -> x
5905   g (x::a) = x
5906   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
5907 </programlisting>
5908 In the case where all the type variables in the pattern type signature are
5909 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
5910 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
5911 </para>
5912 <para>
5913 Unlike expression and declaration type signatures, pattern type signatures are not implicitly generalised.
5914 The pattern in a <emphasis>pattern binding</emphasis> may only mention type variables
5915 that are already in scope.  For example:
5916 <programlisting>
5917   f :: forall a. [a] -> (Int, [a])
5918   f xs = (n, zs)
5919     where
5920       (ys::[a], n) = (reverse xs, length xs) -- OK
5921       zs::[a] = xs ++ ys                     -- OK
5922
5923       Just (v::b) = ...  -- Not OK; b is not in scope
5924 </programlisting>
5925 Here, the pattern signatures for <literal>ys</literal> and <literal>zs</literal>
5926 are fine, but the one for <literal>v</literal> is not because <literal>b</literal> is
5927 not in scope. 
5928 </para>
5929 <para>
5930 However, in all patterns <emphasis>other</emphasis> than pattern bindings, a pattern
5931 type signature may mention a type variable that is not in scope; in this case,
5932 <emphasis>the signature brings that type variable into scope</emphasis>.
5933 This is particularly important for existential data constructors.  For example:
5934 <programlisting>
5935   data T = forall a. MkT [a]
5936
5937   k :: T -> T
5938   k (MkT [t::a]) = MkT t3
5939                  where
5940                    t3::[a] = [t,t,t]
5941 </programlisting>
5942 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
5943 variable that is not already in scope.  Indeed, it <emphasis>cannot</emphasis> already be in scope,
5944 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
5945 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
5946 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
5947 existentially-bound type variable.
5948 </para>
5949 <para>
5950 When a pattern type signature binds a type variable in this way, GHC insists that the 
5951 type variable is bound to a <emphasis>rigid</emphasis>, or fully-known, type variable.
5952 This means that any user-written type signature always stands for a completely known type.
5953 </para>
5954 <para>
5955 If all this seems a little odd, we think so too.  But we must have
5956 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
5957 could not name existentially-bound type variables in subsequent type signatures.
5958 </para>
5959 <para>
5960 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
5961 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
5962 scope.
5963 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
5964 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
5965 </para>
5966
5967
5968 </sect3>
5969
5970 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
5971
5972 <sect3 id="result-type-sigs">
5973 <title>Result type signatures</title>
5974
5975 <para>
5976 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
5977
5978 <programlisting>
5979   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5980   f x y :: [a] = [x,y,x]
5981
5982   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
5983
5984   h :: forall a. [a] -> a
5985   h xs = case xs of
5986             (y:ys) :: a -> y
5987 </programlisting>
5988 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
5989 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
5990 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
5991 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
5992 </para>
5993 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
5994 <para>
5995 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
5996 examples would parse quite differently with parentheses:
5997 <programlisting>
5998   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5999   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
6000
6001   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
6002
6003   h :: forall a. [a] -> a
6004   h xs = case xs of
6005             ((y:ys) :: a) -> y
6006 </programlisting>
6007 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
6008 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
6009 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
6010
6011 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
6012 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
6013 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
6014 consider how one would parse this:
6015 <programlisting>
6016   \ x :: a -> b -> x
6017 </programlisting>
6018 </para>
6019 </sect3>
6020
6021  -->
6022
6023 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
6024 <title>Class and instance declarations</title>
6025 <para>
6026
6027 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
6028 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
6029
6030
6031 <programlisting>
6032   class C a where
6033     op :: [a] -> a
6034
6035     op xs = let ys::[a]
6036                 ys = reverse xs
6037             in
6038             head ys
6039 </programlisting>
6040 </para>
6041 </sect3>
6042
6043 </sect2>
6044
6045
6046 <sect2 id="typing-binds">
6047 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
6048
6049 <para>
6050 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
6051 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
6052 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
6053 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
6054 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
6055 As each group is type-checked, any binders of the group that
6056 have
6057 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
6058 polymorphic type,
6059 and all others are monomorphic until the group is generalised 
6060 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
6061 </para>
6062
6063 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
6064 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/424440.html">Typing Haskell in
6065 Haskell</ulink>,
6066 GHC implements a more general scheme.  If <option>-XRelaxedPolyRec</option> is
6067 specified:
6068 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
6069 type signature</emphasis>.
6070 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
6071 typecheck.  For example, consider:
6072 <programlisting>
6073   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
6074   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
6075   
6076   g y = (y &lt;= y) || f True
6077 </programlisting>
6078 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
6079 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
6080 <literal>f</literal>,
6081 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
6082 hand side is ignored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
6083 type is generalised, to get
6084 <programlisting>
6085   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
6086 </programlisting>
6087 Now, the definition for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
6088 <literal>g</literal> in the type environment.
6089 </para>
6090
6091 <para>
6092 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
6093 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
6094 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
6095 <option>-XRelaxedPolyRec</option>
6096 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
6097 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
6098 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
6099 <programlisting>
6100   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
6101   f x = (x == x) || g True
6102   
6103   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
6104   g y = (y &lt;= y) || f True
6105 </programlisting>
6106 </para>
6107 </sect2>
6108
6109 <sect2 id="mono-local-binds">
6110 <title>Monomorphic local bindings</title>
6111 <para>
6112 We are actively thinking of simplifying GHC's type system, by <emphasis>not generalising local bindings</emphasis>.
6113 The rationale is described in the paper 
6114 <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/constraints/index.htm">Let should not be generalised</ulink>.
6115 </para>
6116 <para>
6117 The experimental new behaviour is enabled by the flag <option>-XMonoLocalBinds</option>.  The effect is
6118 that local (that is, non-top-level) bindings without a type signature are not generalised at all.  You can
6119 think of it as an extreme (but much more predictable) version of the Monomorphism Restriction.
6120 If you supply a type signature, then the flag has no effect.
6121 </para>
6122 </sect2>
6123
6124 </sect1>
6125 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
6126   
6127 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
6128
6129 <sect1 id="template-haskell">
6130 <title>Template Haskell</title>
6131
6132 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
6133 Haskell.  
6134 The background to
6135 the main technical innovations is discussed in "<ulink
6136 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/">
6137 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
6138 </para>
6139 <para>
6140 There is a Wiki page about
6141 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6142 http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell</ulink>, and that is the best place to look for
6143 further details.
6144 You may also 
6145 consult the <ulink
6146 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
6147 Haskell library reference material</ulink> 
6148 (look for module <literal>Language.Haskell.TH</literal>).
6149 Many changes to the original design are described in 
6150       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/notes2.ps">
6151 Notes on Template Haskell version 2</ulink>.
6152 Not all of these changes are in GHC, however.
6153 </para>
6154
6155 <para> The first example from that paper is set out below (<xref linkend="th-example"/>) 
6156 as a worked example to help get you started. 
6157 </para>
6158
6159 <para>
6160 The documentation here describes the realisation of Template Haskell in GHC.  It is not detailed enough to 
6161 understand Template Haskell; see the <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6162 Wiki page</ulink>.
6163 </para>
6164
6165     <sect2>
6166       <title>Syntax</title>
6167
6168       <para> Template Haskell has the following new syntactic
6169       constructions.  You need to use the flag
6170       <option>-XTemplateHaskell</option>
6171         <indexterm><primary><option>-XTemplateHaskell</option></primary>
6172       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
6173       (<option>-XTemplateHaskell</option> is no longer implied by
6174       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
6175
6176         <itemizedlist>
6177               <listitem><para>
6178                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
6179                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
6180                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
6181                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
6182                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
6183                   </para>
6184               <para> A splice can occur in place of 
6185                   <itemizedlist>
6186                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
6187                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
6188                     <listitem><para> an type; the spliced expression must
6189                     have type <literal>Q Typ</literal></para></listitem>
6190                     <listitem><para> a list of top-level declarations; the spliced expression 
6191                     must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
6192                     </itemizedlist>
6193             Note that pattern splices are not supported.
6194             Inside a splice you can can only call functions defined in imported modules,
6195             not functions defined elsewhere in the same module.</para></listitem>
6196
6197               <listitem><para>
6198                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
6199                   <itemizedlist>
6200                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, or <literal>[e| ... |]</literal>, 
6201                              where the "..." is an expression; 
6202                              the quotation has type <literal>Q Exp</literal>.</para></listitem>
6203                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
6204                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
6205                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;
6206                              the quotation has type <literal>Q Type</literal>.</para></listitem>
6207                     <listitem><para> <literal>[p| ... |]</literal>, where the "..." is a pattern;
6208                              the quotation has type <literal>Q Pat</literal>.</para></listitem>
6209                   </itemizedlist></para></listitem>
6210
6211               <listitem><para>
6212                   A quasi-quotation can appear in either a pattern context or an
6213                   expression context and is also written in Oxford brackets:
6214                   <itemizedlist>
6215                     <listitem><para> <literal>[<replaceable>varid</replaceable>| ... |]</literal>,
6216                         where the "..." is an arbitrary string; a full description of the
6217                         quasi-quotation facility is given in <xref linkend="th-quasiquotation"/>.</para></listitem>
6218                   </itemizedlist></para></listitem>
6219
6220               <listitem><para>
6221                   A name can be quoted with either one or two prefix single quotes:
6222                   <itemizedlist>
6223                     <listitem><para> <literal>'f</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the function <literal>f</literal>.
6224                   Similarly <literal>'C</literal> has type <literal>Name</literal> and names the data constructor <literal>C</literal>.
6225                   In general <literal>'</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in an expression context.
6226                      </para></listitem> 
6227                     <listitem><para> <literal>''T</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the type constructor  <literal>T</literal>.
6228                   That is, <literal>''</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in a type context.
6229                      </para></listitem> 
6230                   </itemizedlist>
6231                   These <literal>Names</literal> can be used to construct Template Haskell expressions, patterns, declarations etc.  They
6232                   may also be given as an argument to the <literal>reify</literal> function.
6233                  </para>
6234                 </listitem>
6235
6236               <listitem><para> You may omit the <literal>$(...)</literal> in a top-level declaration splice. 
6237               Simply writing an expression (rather than a declaration) implies a splice.  For example, you can write
6238 <programlisting>
6239 module Foo where
6240 import Bar
6241
6242 f x = x
6243
6244 $(deriveStuff 'f)   -- Uses the $(...) notation
6245
6246 g y = y+1
6247
6248 deriveStuff 'g      -- Omits the $(...)
6249
6250 h z = z-1
6251 </programlisting>
6252             This abbreviation makes top-level declaration slices quieter and less intimidating.
6253             </para></listitem>
6254
6255                   
6256         </itemizedlist>
6257 (Compared to the original paper, there are many differences of detail.
6258 The syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>".
6259 The type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>.
6260 Pattern splices and quotations are not implemented.)
6261
6262 </sect2>
6263
6264 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
6265 <para>
6266 <itemizedlist>
6267     <listitem><para>
6268     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
6269     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
6270     </para></listitem>
6271
6272     <listitem><para>
6273     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
6274             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
6275             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
6276    </para></listitem>
6277
6278    <listitem><para>
6279    You can only run a function at compile time if it is imported
6280    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
6281    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  Furthermore, all of the modules of 
6282    the mutually-recursive group must be reachable by non-SOURCE imports from the module where the
6283    splice is to be run.</para>
6284    <para>
6285    For example, when compiling module A,
6286    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
6287    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
6288    </para></listitem>
6289
6290     <listitem><para>
6291             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
6292    </para></listitem>
6293     <listitem><para>
6294             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
6295               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
6296               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
6297               the program it compiles produces results whose representations are identical to
6298               those of the compiler itself.
6299    </para></listitem>
6300 </itemizedlist>
6301 </para>
6302 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
6303         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
6304         has been lifted.
6305 </para>
6306 </sect2>
6307  
6308 <sect2 id="th-example">  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
6309 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
6310   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
6311
6312 <programlisting>
6313
6314 {- Main.hs -}
6315 module Main where
6316
6317 -- Import our template "pr"
6318 import Printf ( pr )
6319
6320 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
6321 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
6322 -- the argument of "putStrLn".
6323 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
6324
6325
6326 {- Printf.hs -}
6327 module Printf where
6328
6329 -- Skeletal printf from the paper.
6330 -- It needs to be in a separate module to the one where
6331 -- you intend to use it.
6332
6333 -- Import some Template Haskell syntax
6334 import Language.Haskell.TH
6335
6336 -- Describe a format string
6337 data Format = D | S | L String
6338
6339 -- Parse a format string.  This is left largely to you
6340 -- as we are here interested in building our first ever
6341 -- Template Haskell program and not in building printf.
6342 parse :: String -> [Format]
6343 parse s   = [ L s ]
6344
6345 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
6346 -- of the format string.  This code will be spliced into
6347 -- the module which calls "pr", at compile time.
6348 gen :: [Format] -> Q Exp
6349 gen [D]   = [| \n -> show n |]
6350 gen [S]   = [| \s -> s |]
6351 gen [L s] = stringE s
6352
6353 -- Here we generate the Haskell code for the splice
6354 -- from an input format string.
6355 pr :: String -> Q Exp
6356 pr s = gen (parse s)
6357 </programlisting>
6358
6359 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
6360 </para>
6361 <programlisting>
6362 $ ghc --make -XTemplateHaskell main.hs -o main.exe
6363 </programlisting>
6364
6365 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
6366
6367 <programlisting>
6368 $ ./main
6369 Hello
6370 </programlisting>
6371
6372 </sect2>
6373
6374 <sect2>
6375 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
6376 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
6377  
6378 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
6379 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
6380 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
6381 itself is running; this means that the compiled code referred to by
6382 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
6383 in particular this means that object code that is compiled for
6384 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
6385 expression, because profiled object code is only compatible with the
6386 profiling version of the runtime.</para>
6387
6388 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
6389 containing Template Haskell code and you need to compile it for
6390 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
6391 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
6392 The basic idea is to compile the program twice:</para>
6393
6394 <orderedlist>
6395 <listitem>
6396   <para>Compile the program or library first the normal way, without
6397   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
6398 </listitem>
6399 <listitem>
6400   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
6401   additionally use <option>-osuf
6402   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
6403   to name the object files differently (you can choose any suffix
6404   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
6405   load the object files built in the first step when executing splice
6406   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
6407   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
6408   GHC will emit an error message. </para>
6409 </listitem>
6410 </orderedlist>
6411 </sect2>
6412
6413 <sect2 id="th-quasiquotation">  <title> Template Haskell Quasi-quotation </title>
6414 <para>Quasi-quotation allows patterns and expressions to be written using
6415 programmer-defined concrete syntax; the motivation behind the extension and
6416 several examples are documented in
6417 "<ulink url="http://www.eecs.harvard.edu/~mainland/ghc-quasiquoting/">Why It's
6418 Nice to be Quoted: Quasiquoting for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop
6419 2007). The example below shows how to write a quasiquoter for a simple
6420 expression language.</para>
6421 <para>
6422 Here are the salient features
6423 <itemizedlist>
6424 <listitem><para>
6425 A quasi-quote has the form
6426 <literal>[<replaceable>quoter</replaceable>| <replaceable>string</replaceable> |]</literal>.
6427 <itemizedlist>
6428 <listitem><para>
6429 The <replaceable>quoter</replaceable> must be the (unqualified) name of an imported 
6430 quoter; it cannot be an arbitrary expression.  
6431 </para></listitem>
6432 <listitem><para>
6433 The <replaceable>quoter</replaceable> cannot be "<literal>e</literal>", 
6434 "<literal>t</literal>", "<literal>d</literal>", or "<literal>p</literal>", since
6435 those overlap with Template Haskell quotations.
6436 </para></listitem>
6437 <listitem><para>
6438 There must be no spaces in the token
6439 <literal>[<replaceable>quoter</replaceable>|</literal>.
6440 </para></listitem>
6441 <listitem><para>
6442 The quoted <replaceable>string</replaceable> 
6443 can be arbitrary, and may contain newlines.
6444 </para></listitem>
6445 </itemizedlist>
6446 </para></listitem>
6447
6448 <listitem><para>
6449 A quasiquote may appear in place of
6450 <itemizedlist>
6451 <listitem><para>An expression</para></listitem>
6452 <listitem><para>A pattern</para></listitem>
6453 <listitem><para>A type</para></listitem>
6454 <listitem><para>A top-level declaration</para></listitem>
6455 </itemizedlist>
6456 (Only the first two are described in the paper.)
6457 </para></listitem>
6458
6459 <listitem><para>
6460 A quoter is a value of type <literal>Language.Haskell.TH.Quote.QuasiQuoter</literal>, 
6461 which is defined thus:
6462 <programlisting>
6463 data QuasiQuoter = QuasiQuoter { quoteExp  :: String -> Q Exp,
6464                                  quotePat  :: String -> Q Pat,
6465                                  quoteType :: String -> Q Type,
6466                                  quoteDec  :: String -> Q [Dec] }
6467 </programlisting>
6468 That is, a quoter is a tuple of four parsers, one for each of the contexts
6469 in which a quasi-quote can occur.
6470 </para></listitem>
6471 <listitem><para>
6472 A quasi-quote is expanded by applying the appropriate parser to the string
6473 enclosed by the Oxford brackets.  The context of the quasi-quote (expression, pattern,
6474 type, declaration) determines which of the parsers is called.
6475 </para></listitem>
6476 </itemizedlist>
6477 </para>
6478 <para>
6479 The example below shows quasi-quotation in action.  The quoter <literal>expr</literal>
6480 is bound to a value of type <literal>QuasiQuoter</literal> defined in module <literal>Expr</literal>.
6481 The example makes use of an antiquoted
6482 variable <literal>n</literal>, indicated by the syntax <literal>'int:n</literal>
6483 (this syntax for anti-quotation was defined by the parser's
6484 author, <emphasis>not</emphasis> by GHC). This binds <literal>n</literal> to the
6485 integer value argument of the constructor <literal>IntExpr</literal> when
6486 pattern matching. Please see the referenced paper for further details regarding
6487 anti-quotation as well as the description of a technique that uses SYB to
6488 leverage a single parser of type <literal>String -> a</literal> to generate both
6489 an expression parser that returns a value of type <literal>Q Exp</literal> and a
6490 pattern parser that returns a value of type <literal>Q Pat</literal>.
6491 </para>
6492
6493 <para>
6494 Quasiquoters must obey the same stage restrictions as Template Haskell, e.g., in
6495 the example, <literal>expr</literal> cannot be defined
6496 in <literal>Main.hs</literal> where it is used, but must be imported.
6497 </para>
6498
6499 <programlisting>
6500 {- ------------- file Main.hs --------------- -}
6501 module Main where
6502
6503 import Expr
6504
6505 main :: IO ()
6506 main = do { print $ eval [expr|1 + 2|]
6507           ; case IntExpr 1 of
6508               { [expr|'int:n|] -> print n
6509               ;  _              -> return ()
6510               }
6511           }
6512
6513
6514 {- ------------- file Expr.hs --------------- -}
6515 module Expr where
6516
6517 import qualified Language.Haskell.TH as TH
6518 import Language.Haskell.TH.Quote
6519
6520 data Expr  =  IntExpr Integer
6521            |  AntiIntExpr String
6522            |  BinopExpr BinOp Expr Expr
6523            |  AntiExpr String
6524     deriving(Show, Typeable, Data)
6525
6526 data BinOp  =  AddOp
6527             |  SubOp
6528             |  MulOp
6529             |  DivOp
6530     deriving(Show, Typeable, Data)
6531
6532 eval :: Expr -> Integer
6533 eval (IntExpr n)        = n
6534 eval (BinopExpr op x y) = (opToFun op) (eval x) (eval y)
6535   where
6536     opToFun AddOp = (+)
6537     opToFun SubOp = (-)
6538     opToFun MulOp = (*)
6539     opToFun DivOp = div
6540
6541 expr = QuasiQuoter { quoteExp = parseExprExp, quotePat =  parseExprPat }
6542
6543 -- Parse an Expr, returning its representation as
6544 -- either a Q Exp or a Q Pat. See the referenced paper
6545 -- for how to use SYB to do this by writing a single
6546 -- parser of type String -> Expr instead of two
6547 -- separate parsers.
6548
6549 parseExprExp :: String -> Q Exp
6550 parseExprExp ...
6551
6552 parseExprPat :: String -> Q Pat
6553 parseExprPat ...
6554 </programlisting>
6555
6556 <para>Now run the compiler:
6557 <programlisting>
6558 $ ghc --make -XQuasiQuotes Main.hs -o main
6559 </programlisting>
6560 </para>
6561
6562 <para>Run "main" and here is your output:
6563 <programlisting>
6564 $ ./main
6565 3
6566 1
6567 </programlisting>
6568 </para>
6569 </sect2>
6570
6571 </sect1>
6572
6573 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
6574
6575 <sect1 id="arrow-notation">
6576 <title>Arrow notation
6577 </title>
6578
6579 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
6580 For more details, see
6581 <itemizedlist>
6582
6583 <listitem>
6584 <para>
6585 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
6586 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
6587 pp67&ndash;111, May 2000.
6588 The paper that introduced arrows: a friendly introduction, motivated with
6589 programming examples.
6590 </para>
6591 </listitem>
6592
6593 <listitem>
6594 <para>
6595 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
6596 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
6597 Introduced the notation described here.
6598 </para>
6599 </listitem>
6600
6601 <listitem>
6602 <para>
6603 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
6604 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
6605 Palgrave, 2003.
6606 </para>
6607 </listitem>
6608
6609 <listitem>
6610 <para>
6611 &ldquo;<ulink url="http://www.cs.chalmers.se/~rjmh/afp-arrows.pdf">Programming with Arrows</ulink>&rdquo;,
6612 John Hughes, in <citetitle>5th International Summer School on
6613 Advanced Functional Programming</citetitle>,
6614 <citetitle>Lecture Notes in Computer Science</citetitle> vol. 3622,
6615 Springer, 2004.
6616 This paper includes another introduction to the notation,
6617 with practical examples.
6618 </para>
6619 </listitem>
6620
6621 <listitem>
6622 <para>
6623 &ldquo;<ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/papers/arrow-rules.pdf">Type and Translation Rules for Arrow Notation in GHC</ulink>&rdquo;,
6624 Ross Paterson and Simon Peyton Jones, September 16, 2004.
6625 A terse enumeration of the formal rules used
6626 (extracted from comments in the source code).
6627 </para>
6628 </listitem>
6629
6630 <listitem>
6631 <para>
6632 The arrows web page at
6633 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
6634 </para>
6635 </listitem>
6636
6637 </itemizedlist>
6638 With the <option>-XArrows</option> flag, GHC supports the arrow
6639 notation described in the second of these papers,
6640 translating it using combinators from the
6641 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6642 module.
6643 What follows is a brief introduction to the notation;
6644 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
6645 </para>
6646
6647 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
6648 <screen>
6649 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
6650        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6651 </screen>
6652 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
6653 The variables of the pattern are bound in the body of the 
6654 <literal>proc</literal>-expression,
6655 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
6656 The syntax of commands is as follows:
6657 <screen>
6658 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
6659        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
6660        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
6661 </screen>
6662 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
6663 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
6664 infix operators as for expressions, and
6665 <screen>
6666 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6667        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
6668        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
6669        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
6670        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
6671        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
6672
6673 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
6674        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
6675        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
6676
6677 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
6678        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
6679        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
6680        |  <replaceable>cmd</replaceable>
6681 </screen>
6682 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
6683 except that the bodies are commands instead of expressions.
6684 </para>
6685
6686 <para>
6687 Commands produce values, but (like monadic computations)
6688 may yield more than one value,
6689 or none, and may do other things as well.
6690 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
6691 using commands.
6692 However the values of expressions, even monadic ones,
6693 are determined by the values of the variables they contain;
6694 this is not necessarily the case for commands.
6695 </para>
6696
6697 <para>
6698 A simple example of the new notation is the expression
6699 <screen>
6700 proc x -> f -&lt; x+1
6701 </screen>
6702 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
6703 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
6704 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
6705 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
6706 It refers to the input to the arrow.
6707 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
6708 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
6709 type and an expression to be fed as input to that arrow.
6710 (The weird look will make more sense later.)
6711 It may be read as analogue of application for arrows.
6712 The above example is equivalent to the Haskell expression
6713 <screen>
6714 arr (\ x -> x+1) >>> f
6715 </screen>
6716 That would make no sense if the expression to the left of
6717 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
6718 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
6719 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
6720 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
6721 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
6722 <screen>
6723 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
6724 </screen>
6725 which is equivalent to
6726 <screen>
6727 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
6728 </screen>
6729 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
6730 class.
6731 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
6732 you may find a monadic formulation more convenient.
6733 </para>
6734
6735 <sect2>
6736 <title>do-notation for commands</title>
6737
6738 <para>
6739 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
6740 For example, you can write
6741 <screen>
6742 proc x -> do
6743         y &lt;- f -&lt; x+1
6744         g -&lt; 2*y
6745         let z = x+y
6746         t &lt;- h -&lt; x*z
6747         returnA -&lt; t+z
6748 </screen>
6749 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
6750 but with commands in place of monadic expressions.
6751 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
6752 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
6753 <literal>y</literal>.
6754 In the next line, the output is discarded.
6755 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
6756 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6757 module as <literal>arr id</literal>.
6758 The above example is treated as an abbreviation for
6759 <screen>
6760 arr (\ x -> (x, x)) >>>
6761         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
6762         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
6763         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
6764         arr snd >>>
6765         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
6766         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
6767         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
6768         returnA
6769 </screen>
6770 Note that variables not used later in the composition are projected out.
6771 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
6772 defined in the
6773 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6774 module, this reduces to
6775 <screen>
6776 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
6777         first f >>>
6778         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
6779         first g >>>
6780         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
6781         first h >>>
6782         arr (\ (t, z) -> t+z)
6783 </screen>
6784 which is what you might have written by hand.
6785 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
6786 </para>
6787
6788 <para>
6789 Note that although the above translation suggests that
6790 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
6791 monomorphic, the actual translation produces Core,
6792 so polymorphic variables are allowed.
6793 </para>
6794
6795 <para>
6796 It's also possible to have mutually recursive bindings,
6797 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
6798 <programlisting>
6799 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
6800 counter = proc reset -> do
6801         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
6802                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
6803         returnA -&lt; output
6804 </programlisting>
6805 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
6806 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
6807 </para>
6808
6809 </sect2>
6810
6811 <sect2>
6812 <title>Conditional commands</title>
6813
6814 <para>
6815 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
6816 input for an arrow.
6817 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
6818 <screen>
6819 proc (x,y) ->
6820         if f x y
6821         then g -&lt; x+1
6822         else h -&lt; y+2
6823 </screen>
6824 which is translated to
6825 <screen>
6826 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
6827         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
6828 </screen>
6829 Since the translation uses <function>|||</function>,
6830 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
6831 </para>
6832
6833 <para>
6834 There are also <literal>case</literal> commands, like
6835 <screen>
6836 case input of
6837     [] -> f -&lt; ()
6838     [x] -> g -&lt; x+1
6839     x1:x2:xs -> do
6840         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
6841         ys &lt;- k -&lt; xs
6842         returnA -&lt; y:ys
6843 </screen>
6844 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
6845 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
6846 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
6847 </para>
6848
6849 </sect2>
6850
6851 <sect2>
6852 <title>Defining your own control structures</title>
6853
6854 <para>
6855 As we're seen, arrow notation provides constructs,
6856 modelled on those for expressions,
6857 for sequencing, value recursion and conditionals.
6858 But suitable combinators,
6859 which you can define in ordinary Haskell,
6860 may also be used to build new commands out of existing ones.
6861 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
6862 These environments assign values to the free local variables of the command.
6863 Thus combinators that produce arrows from arrows
6864 may also be used to build commands from commands.
6865 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
6866 <programlisting>
6867 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
6868 </programlisting>
6869 so we can use it to build commands:
6870 <programlisting>
6871 expr' = proc x -> do
6872                 returnA -&lt; x
6873         &lt;+> do
6874                 symbol Plus -&lt; ()
6875                 y &lt;- term -&lt; ()
6876                 expr' -&lt; x + y
6877         &lt;+> do
6878                 symbol Minus -&lt; ()
6879                 y &lt;- term -&lt; ()
6880                 expr' -&lt; x - y
6881 </programlisting>
6882 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
6883 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
6884 expression on the previous line.)
6885 This is equivalent to
6886 <programlisting>
6887 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
6888         &lt;+> (proc x -> do
6889                 symbol Plus -&lt; ()
6890                 y &lt;- term -&lt; ()
6891                 expr' -&lt; x + y)
6892         &lt;+> (proc x -> do
6893                 symbol Minus -&lt; ()
6894                 y &lt;- term -&lt; ()
6895                 expr' -&lt; x - y)
6896 </programlisting>
6897 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
6898 (representing the environment input to the command
6899 and thence to its subcommands)
6900 and satisfy the corresponding naturality property
6901 <screen>
6902 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
6903 </screen>
6904 at least for strict <literal>k</literal>.
6905 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
6906 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
6907 of the whole command,
6908 and also allows the translation to safely trim these environments.
6909 The operator must also not use any variable defined within the current
6910 arrow abstraction.
6911 </para>
6912
6913 <para>
6914 We could define our own operator
6915 <programlisting>
6916 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
6917 untilA body cond = proc x ->
6918         b &lt;- cond -&lt; x
6919         if b then returnA -&lt; ()
6920         else do
6921                 body -&lt; x
6922                 untilA body cond -&lt; x
6923 </programlisting>
6924 and use it in the same way.
6925 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
6926 there is also a more general syntax involving special brackets:
6927 <screen>
6928 proc x -> do
6929         y &lt;- f -&lt; x+1
6930         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
6931 </screen>
6932 </para>
6933
6934 </sect2>
6935
6936 <sect2>
6937 <title>Primitive constructs</title>
6938
6939 <para>
6940 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
6941 For example, in an arrow type supporting exceptions,
6942 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
6943 exception that occurred to the handler.
6944 Such an operator might have a type
6945 <screen>
6946 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
6947 </screen>
6948 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
6949 You could then use this with arrow notation by writing a command
6950 <screen>
6951 body `handleA` \ ex -> handler
6952 </screen>
6953 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
6954 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
6955 and the command <literal>handler</literal>,
6956 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
6957 Though the syntax here looks like a functional lambda,
6958 we are talking about commands, and something different is going on.
6959 The input to the arrow represented by a command consists of values for
6960 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
6961 In all the prior examples, this stack was empty.
6962 In the second argument to <function>handleA</function>,
6963 this stack consists of one value, the value of the exception.
6964 The command form of lambda merely gives this value a name.
6965 </para>
6966
6967 <para>
6968 More concretely,
6969 the values on the stack are paired to the right of the environment.
6970 So operators like <function>handleA</function> that pass
6971 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
6972 by pairing the values with the environment in this way.
6973 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
6974 should have the form
6975 <screen>
6976 a (...(e,t1), ... tn) t
6977 </screen>
6978 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
6979 (representing the environment)
6980 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
6981 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
6982 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
6983 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
6984 <replaceable>t</replaceable>.
6985 However the arrows involved need not be the same.
6986 Here are some more examples of suitable operators:
6987 <screen>
6988 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
6989 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
6990 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
6991 </screen>
6992 We can supply the extra input required by commands built with the last two
6993 by applying them to ordinary expressions, as in
6994 <screen>
6995 proc x -> do
6996         s &lt;- ...
6997         (|runReader (do { ... })|) s
6998 </screen>
6999 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
7000 built using <function>runReader</function>.
7001 </para>
7002
7003 <para>
7004 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
7005 the expression versions.
7006 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
7007 These three features (operators, lambda abstraction and application)
7008 are the core of the notation; everything else can be built using them,
7009 though the results would be somewhat clumsy.
7010 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
7011 <programlisting>
7012 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
7013 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
7014
7015 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
7016 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
7017 </programlisting>
7018 We could simulate <literal>if</literal> by defining
7019 <programlisting>
7020 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
7021 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
7022 </programlisting>
7023 </para>
7024
7025 </sect2>
7026
7027 <sect2>
7028 <title>Differences with the paper</title>
7029
7030 <itemizedlist>
7031
7032 <listitem>
7033 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
7034 translations, the implementation provides two forms
7035 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
7036 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
7037 </para>
7038 </listitem>
7039
7040 <listitem>
7041 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
7042 a new <literal>form</literal> keyword.
7043 </para>
7044 </listitem>
7045
7046 </itemizedlist>
7047
7048 </sect2>
7049
7050 <sect2>
7051 <title>Portability</title>
7052
7053 <para>
7054 Although only GHC implements arrow notation directly,
7055 there is also a preprocessor
7056 (available from the 
7057 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
7058 that translates arrow notation into Haskell 98
7059 for use with other Haskell systems.
7060 You would still want to check arrow programs with GHC;
7061 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
7062 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
7063 additional restrictions:
7064 <itemizedlist>
7065
7066 <listitem>
7067 <para>
7068 The module must import
7069 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
7070 </para>
7071 </listitem>
7072
7073 <listitem>
7074 <para>
7075 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
7076 These would have to go in separate modules.
7077 </para>
7078 </listitem>
7079
7080 <listitem>
7081 <para>
7082 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
7083 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
7084 </para>
7085 </listitem>
7086
7087 </itemizedlist>
7088 </para>
7089
7090 </sect2>
7091
7092 </sect1>
7093
7094 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
7095
7096 <sect1 id="bang-patterns">
7097 <title>Bang patterns
7098 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
7099 </title>
7100 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
7101 patterns</emphasis>, written <literal>!<replaceable>pat</replaceable></literal>.   
7102 Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
7103 The <ulink
7104 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
7105 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
7106 than the material below.
7107 </para>
7108 <para>
7109 The key change is the addition of a new rule to the 
7110 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">semantics of pattern matching in the Haskell 98 report</ulink>.
7111 Add new bullet 10, saying: Matching the pattern <literal>!</literal><replaceable>pat</replaceable> 
7112 against a value <replaceable>v</replaceable> behaves as follows:
7113 <itemizedlist>
7114 <listitem><para>if <replaceable>v</replaceable> is bottom, the match diverges</para></listitem>
7115 <listitem><para>otherwise, <replaceable>pat</replaceable> is matched against <replaceable>v</replaceable>  </para></listitem>
7116 </itemizedlist>
7117 </para>
7118 <para>
7119 Bang patterns are enabled by the flag <option>-XBangPatterns</option>.
7120 </para>
7121
7122 <sect2 id="bang-patterns-informal">
7123 <title>Informal description of bang patterns
7124 </title>
7125 <para>
7126 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
7127 <programlisting>
7128   pat ::= !pat
7129 </programlisting>
7130 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
7131 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
7132 Example:
7133 <programlisting>
7134 f1 !x = True
7135 </programlisting>
7136 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
7137 whereas without the bang it would be lazy.
7138 Bang patterns can be nested of course:
7139 <programlisting>
7140 f2 (!x, y) = [x,y]
7141 </programlisting>
7142 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
7143 <literal>y</literal>.  
7144 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
7145 <programlisting>
7146 f3 !(x,y) = [x,y]
7147 f4 (x,y)  = [x,y]
7148 </programlisting>
7149 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; 
7150 putting a bang before a pattern that
7151 forces evaluation anyway does nothing.
7152 </para>
7153 <para>
7154 There is one (apparent) exception to this general rule that a bang only
7155 makes a difference when it precedes a variable or wild-card: a bang at the
7156 top level of a <literal>let</literal> or <literal>where</literal>
7157 binding makes the binding strict, regardless of the pattern.
7158 (We say "apparent" exception because the Right Way to think of it is that the bang
7159 at the top of a binding is not part of the <emphasis>pattern</emphasis>; rather it
7160 is part of the syntax of the <emphasis>binding</emphasis>,
7161 creating a "bang-pattern binding".)
7162 For example:
7163 <programlisting>
7164 let ![x,y] = e in b
7165 </programlisting>
7166 is a bang-pattern binding. Operationally, it behaves just like a case expression:
7167 <programlisting>
7168 case e of [x,y] -> b
7169 </programlisting>
7170 Like a case expression, a bang-pattern binding must be non-recursive, and
7171 is monomorphic.
7172
7173 However, <emphasis>nested</emphasis> bangs in a pattern binding behave uniformly with all other forms of
7174 pattern matching.  For example
7175 <programlisting>
7176 let (!x,[y]) = e in b
7177 </programlisting>
7178 is equivalent to this:
7179 <programlisting>
7180 let { t = case e of (x,[y]) -> x `seq` (x,y)
7181       x = fst t
7182       y = snd t }
7183 in b
7184 </programlisting>
7185 The binding is lazy, but when either <literal>x</literal> or <literal>y</literal> is
7186 evaluated by <literal>b</literal> the entire pattern is matched, including forcing the
7187 evaluation of <literal>x</literal>.
7188 </para>
7189 <para>
7190 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
7191 <programlisting>
7192 g5 x = let y = f x in body
7193 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
7194 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
7195 </programlisting>
7196 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
7197 But <literal>g7</literal> evaluates <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
7198 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
7199 </para>
7200 </sect2>
7201
7202
7203 <sect2 id="bang-patterns-sem">
7204 <title>Syntax and semantics
7205 </title>
7206 <para>
7207
7208 We add a single new production to the syntax of patterns:
7209 <programlisting>
7210   pat ::= !pat
7211 </programlisting>
7212 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
7213 <programlisting>
7214 f !x = 3
7215 </programlisting>
7216 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
7217 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
7218 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
7219 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
7220 prefix notation:
7221 <programlisting>
7222 (!) f x = 3
7223 </programlisting>
7224 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
7225 url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
7226 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
7227 one extra item 10, saying:
7228 <itemizedlist><listitem><para>Matching
7229 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
7230 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
7231                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
7232                 <literal>v</literal></para></listitem>
7233 </itemizedlist>
7234 </para></listitem></itemizedlist>
7235 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
7236 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
7237 <programlisting>
7238 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
7239    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
7240 </programlisting>
7241 </para><para>
7242 That leaves let expressions, whose translation is given in 
7243 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
7244 3.12</ulink>
7245 of the Haskell Report.
7246 In the translation box, first apply 
7247 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
7248 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
7249 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
7250 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
7251 </para>
7252 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
7253 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
7254 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
7255 thus:
7256 <programlisting>
7257   let !y = f x in b
7258 </programlisting>
7259
7260 </para>
7261 <para>
7262 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
7263 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
7264 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
7265      is equivalent to
7266 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
7267 </para>
7268 <para>
7269 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
7270 a module.
7271 </para>
7272 </sect2>
7273 </sect1>
7274
7275 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
7276
7277 <sect1 id="assertions">
7278 <title>Assertions
7279 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
7280 </title>
7281
7282 <para>
7283 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
7284 could define a function like the following:
7285 </para>
7286
7287 <para>
7288
7289 <programlisting>
7290 assert :: Bool -> a -> a
7291 assert False x = error "assertion failed!"
7292 assert _     x = x
7293 </programlisting>
7294
7295 </para>
7296
7297 <para>
7298 which works, but gives you back a less than useful error message --
7299 an assertion failed, but which and where?
7300 </para>
7301
7302 <para>
7303 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
7304 takes a descriptive string to include in the error message and
7305 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
7306 the source location where <function>assert</function> was used.
7307 </para>
7308
7309 <para>
7310 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
7311 use of <function>assert</function> in the user's source:
7312 </para>
7313
7314 <para>
7315
7316 <programlisting>
7317 kelvinToC :: Double -> Double
7318 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
7319 </programlisting>
7320
7321 </para>
7322
7323 <para>
7324 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
7325 assertion was made,
7326 </para>
7327
7328 <para>
7329
7330 <programlisting>
7331 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
7332 </programlisting>
7333
7334 </para>
7335
7336 <para>
7337 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
7338 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
7339 can still define and use your own versions of
7340 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
7341 <literal>Control.Exception</literal> to make use
7342 <function>assert</function> in your code.
7343 </para>
7344
7345 <para>
7346 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
7347       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
7348 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
7349 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
7350       <option>-fignore-asserts</option>
7351       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
7352       </indexterm>.</para>
7353
7354 <para>
7355 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
7356 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
7357 </para>
7358
7359 </sect1>
7360
7361
7362 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
7363
7364   <sect1 id="pragmas">
7365     <title>Pragmas</title>
7366
7367     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
7368
7369     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
7370     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
7371     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
7372     of the generated code.</para>
7373
7374     <para>Pragmas all take the form
7375
7376 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
7377
7378     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
7379     pragma, and is followed optionally by information specific to that
7380     type of pragma.  Case is ignored in
7381     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
7382     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
7383     in the following sections; any pragma encountered with an
7384     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is
7385     ignored. The layout rule applies in pragmas, so the closing <literal>#-}</literal>
7386     should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>. </para> 
7387
7388     <para>Certain pragmas are <emphasis>file-header pragmas</emphasis>:
7389       <itemizedlist>
7390       <listitem><para>
7391           A file-header
7392           pragma must precede the <literal>module</literal> keyword in the file.
7393           </para></listitem>
7394       <listitem><para>
7395       There can be as many file-header pragmas as you please, and they can be
7396       preceded or followed by comments.  
7397           </para></listitem>
7398       <listitem><para>
7399       File-header pragmas are read once only, before
7400       pre-processing the file (e.g. with cpp).
7401           </para></listitem>
7402       <listitem><para>
7403          The file-header pragmas are: <literal>{-# LANGUAGE #-}</literal>,
7404         <literal>{-# OPTIONS_GHC #-}</literal>, and
7405         <literal>{-# INCLUDE #-}</literal>.
7406           </para></listitem>
7407       </itemizedlist>
7408       </para>
7409
7410     <sect2 id="language-pragma">
7411       <title>LANGUAGE pragma</title>
7412
7413       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7414       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
7415
7416       <para>The <literal>LANGUAGE</literal> pragma allows language extensions to be enabled 
7417         in a portable way.
7418         It is the intention that all Haskell compilers support the
7419         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
7420         all extensions are supported by all compilers, of
7421         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
7422         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
7423
7424       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
7425
7426 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
7427
7428         <para><literal>LANGUAGE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7429
7430       <para>Every language extension can also be turned into a command-line flag
7431         by prefixing it with "<literal>-X</literal>"; for example <option>-XForeignFunctionInterface</option>.
7432         (Similarly, all "<literal>-X</literal>" flags can be written as <literal>LANGUAGE</literal> pragmas.
7433       </para>
7434
7435       <para>A list of all supported language extensions can be obtained by invoking
7436         <literal>ghc --supported-extensions</literal> (see <xref linkend="modes"/>).</para>
7437
7438       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
7439         <ulink
7440           url="&libraryCabalLocation;/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink>
7441         may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
7442     </sect2>
7443
7444
7445     <sect2 id="options-pragma">
7446       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
7447       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
7448       </indexterm>
7449       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
7450       </indexterm>
7451
7452       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
7453       additional options that are given to the compiler when compiling
7454       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
7455       details.</para>
7456
7457       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
7458         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
7459     </sect2>
7460
7461         <para><literal>OPTIONS_GHC</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7462
7463     <sect2 id="include-pragma">
7464       <title>INCLUDE pragma</title>
7465
7466       <para>The <literal>INCLUDE</literal> used to be necessary for
7467         specifying header files to be included when using the FFI and
7468         compiling via C.  It is no longer required for GHC, but is
7469         accepted (and ignored) for compatibility with other
7470         compilers.</para>
7471     </sect2>
7472
7473     <sect2 id="warning-deprecated-pragma">
7474       <title>WARNING and DEPRECATED pragmas</title>
7475       <indexterm><primary>WARNING</primary></indexterm>
7476       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary></indexterm>
7477
7478       <para>The WARNING pragma allows you to attach an arbitrary warning
7479       to a particular function, class, or type.
7480       A DEPRECATED pragma lets you specify that
7481       a particular function, class, or type is deprecated.
7482       There are two ways of using these pragmas.
7483
7484       <itemizedlist>
7485         <listitem>
7486           <para>You can work on an entire module thus:</para>
7487 <programlisting>
7488    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
7489      ...
7490 </programlisting>
7491       <para>Or:</para>
7492 <programlisting>
7493    module Wibble {-# WARNING "This is an unstable interface." #-} where
7494      ...
7495 </programlisting>
7496           <para>When you compile any module that import
7497           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
7498           message.</para>
7499         </listitem>
7500
7501         <listitem>
7502           <para>You can attach a warning to a function, class, type, or data constructor, with the
7503           following top-level declarations:</para>
7504 <programlisting>
7505    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
7506    {-# WARNING unsafePerformIO "This is unsafe; I hope you know what you're doing" #-}
7507 </programlisting>
7508           <para>When you compile any module that imports and uses any
7509           of the specified entities, GHC will print the specified
7510           message.</para>
7511           <para> You can only attach to entities declared at top level in the module
7512           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
7513           entities. A capitalised name, such as <literal>T</literal>
7514           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
7515           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
7516           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to
7517       specify one without the other (c.f. fixities
7518       <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
7519         </listitem>
7520       </itemizedlist>
7521       Warnings and deprecations are not reported for
7522       (a) uses within the defining module, and
7523       (b) uses in an export list.
7524       The latter reduces spurious complaints within a library
7525       in which one module gathers together and re-exports 
7526       the exports of several others.
7527       </para>
7528       <para>You can suppress the warnings with the flag
7529       <option>-fno-warn-warnings-deprecations</option>.</para>
7530     </sect2>
7531
7532     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
7533       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
7534
7535       <para>These pragmas control the inlining of function
7536       definitions.</para>
7537
7538       <sect3 id="inline-pragma">
7539         <title>INLINE pragma</title>
7540         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
7541
7542         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
7543         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
7544         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
7545         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
7546         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
7547         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
7548         export that unfolding for other modules to use.</para>
7549
7550         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
7551         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
7552         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
7553
7554 <programlisting>
7555 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
7556 {-# INLINE key_function #-}
7557 </programlisting>
7558
7559         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
7560         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
7561         The normal unfolding machinery will then be very keen to
7562         inline it.  However, an <literal>INLINE</literal> pragma for a 
7563         function "<literal>f</literal>" has a number of other effects:
7564 <itemizedlist>
7565 <listitem><para>
7566 While GHC is keen to inline the function, it does not do so
7567 blindly.  For example, if you write
7568 <programlisting>
7569 map key_function xs
7570 </programlisting>
7571 there really isn't any point in inlining <literal>key_function</literal> to get
7572 <programlisting>
7573 map (\x -> <replaceable>body</replaceable>) xs
7574 </programlisting>
7575 In general, GHC only inlines the function if there is some reason (no matter
7576 how slight) to supose that it is useful to do so.
7577 </para></listitem>
7578
7579 <listitem><para>
7580 Moreover, GHC will only inline the function if it is <emphasis>fully applied</emphasis>, 
7581 where "fully applied"
7582 means applied to as many arguments as appear (syntactically) 
7583 on the LHS of the function
7584 definition.  For example:
7585 <programlisting>
7586 comp1 :: (b -> c) -> (a -> b) -> a -> c
7587 {-# INLINE comp1 #-}
7588 comp1 f g = \x -> f (g x)
7589
7590 comp2 :: (b -> c) -> (a -> b) -> a -> c
7591 {-# INLINE comp2 #-}
7592 comp2 f g x = f (g x)
7593 </programlisting>
7594 The two functions <literal>comp1</literal> and <literal>comp2</literal> have the 
7595 same semantics, but <literal>comp1</literal> will be inlined when applied
7596 to <emphasis>two</emphasis> arguments, while <literal>comp2</literal> requires
7597 <emphasis>three</emphasis>.  This might make a big difference if you say
7598 <programlisting>
7599 map (not `comp1` not) xs
7600 </programlisting>
7601 which will optimise better than the corresponding use of `comp2`.
7602 </para></listitem>
7603
7604 <listitem><para> 
7605 It is useful for GHC to optimise the definition of an
7606 INLINE function <literal>f</literal> just like any other non-INLINE function, 
7607 in case the non-inlined version of <literal>f</literal> is
7608 ultimately called.  But we don't want to inline 
7609 the <emphasis>optimised</emphasis> version
7610 of <literal>f</literal>;
7611 a major reason for INLINE pragmas is to expose functions 
7612 in <literal>f</literal>'s RHS that have
7613 rewrite rules, and it's no good if those functions have been optimised
7614 away.
7615 </para>
7616 <para>
7617 So <emphasis>GHC guarantees to inline precisely the code that you wrote</emphasis>, no more
7618 and no less.  It does this by capturing a copy of the definition of the function to use
7619 for inlining (we call this the "inline-RHS"), which it leaves untouched,
7620 while optimising the ordinarly RHS as usual.  For externally-visible functions
7621 the inline-RHS (not the optimised RHS) is recorded in the interface file.
7622 </para></listitem>
7623 <listitem><para>
7624 An INLINE function is not worker/wrappered by strictness analysis.
7625 It's going to be inlined wholesale instead.
7626 </para></listitem>
7627 </itemizedlist>
7628 </para>
7629 <para>GHC ensures that inlining cannot go on forever: every mutually-recursive
7630 group is cut by one or more <emphasis>loop breakers</emphasis> that is never inlined
7631 (see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/Papers/inlining/index.htm">
7632 Secrets of the GHC inliner, JFP 12(4) July 2002</ulink>).
7633 GHC tries not to select a function with an INLINE pragma as a loop breaker, but
7634 when there is no choice even an INLINE function can be selected, in which case
7635 the INLINE pragma is ignored.
7636 For example, for a self-recursive function, the loop breaker can only be the function
7637 itself, so an INLINE pragma is always ignored.</para>
7638
7639         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
7640         function can be put anywhere its type signature could be
7641         put.</para>
7642
7643         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
7644         good idea for the
7645         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
7646         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
7647         a monad.  For example, in GHC's own
7648         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
7649
7650 <programlisting>
7651 {-# INLINE thenUs #-}
7652 {-# INLINE returnUs #-}
7653 </programlisting>
7654
7655         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> (<xref linkend="inlinable-pragma"/>) 
7656         and <literal>INLINABLE</literal> (<xref linkend="noinline-pragma"/>) 
7657         pragmas.</para>
7658
7659         <para>Note: the HBC compiler doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas,
7660           so if you want your code to be HBC-compatible you'll have to surround
7661           the pragma with C pre-processor directives 
7662           <literal>#ifdef __GLASGOW_HASKELL__</literal>...<literal>#endif</literal>.</para>
7663
7664       </sect3>
7665
7666       <sect3 id="inlinable-pragma">
7667         <title>INLINABLE pragma</title>
7668
7669 <para>An <literal>{-# INLINABLE f #-}</literal> pragma on a
7670 function <literal>f</literal> has the following behaviour:
7671 <itemizedlist>
7672 <listitem><para>
7673 While <literal>INLINE</literal> says "please inline me", the <literal>INLINABLE</literal>
7674 says "feel free to inline me; use your
7675 discretion".  In other words the choice is left to GHC, which uses the same
7676 rules as for pragma-free functions.  Unlike <literal>INLINE</literal>, that decision is made at
7677 the <emphasis>call site</emphasis>, and
7678 will therefore be affected by the inlining threshold, optimisation level etc.
7679 </para></listitem>
7680 <listitem><para>
7681 Like <literal>INLINE</literal>, the <literal>INLINABLE</literal> pragma retains a
7682 copy of the original RHS for
7683 inlining purposes, and persists it in the interface file, regardless of
7684 the size of the RHS.
7685 </para></listitem>
7686
7687 <listitem><para>
7688 One way to use <literal>INLINABLE</literal> is in conjunction with
7689 the special function <literal>inline</literal> (<xref linkend="special-ids"/>).
7690 The call <literal>inline f</literal> tries very hard to inline <literal>f</literal>.
7691 To make sure that <literal>f</literal> can be inlined,
7692 it is a good idea to mark the definition
7693 of <literal>f</literal> as <literal>INLINABLE</literal>,
7694 so that GHC guarantees to expose an unfolding regardless of how big it is.
7695 Moreover, by annotating <literal>f</literal> as <literal>INLINABLE</literal>,
7696 you ensure that <literal>f</literal>'s original RHS is inlined, rather than
7697 whatever random optimised version of <literal>f</literal> GHC's optimiser
7698 has produced.
7699 </para></listitem>
7700
7701 <listitem><para>
7702 The <literal>INLINABLE</literal> pragma also works with <literal>SPECIALISE</literal>:
7703 if you mark function <literal>f</literal> as <literal>INLINABLE</literal>, then
7704 you can subsequently <literal>SPECIALISE</literal> in another module
7705 (see <xref linkend="specialize-pragma"/>).</para></listitem>
7706
7707 <listitem><para>
7708 Unlike <literal>INLINE</literal>, it is OK to use
7709 an <literal>INLINABLE</literal> pragma on a recursive function.
7710 The principal reason do to so to allow later use of <literal>SPECIALISE</literal>
7711 </para></listitem>
7712 </itemizedlist>
7713 </para>
7714
7715       </sect3>
7716
7717       <sect3 id="noinline-pragma">
7718         <title>NOINLINE pragma</title>
7719         
7720         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
7721         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
7722
7723         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
7724         you'd expect: it stops the named function from being inlined
7725         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
7726         you're very cautious about code size.</para>
7727
7728         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
7729         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
7730         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
7731         inlining, so it should be used if you want your code to be
7732         portable).</para>
7733       </sect3>
7734
7735       <sect3 id="conlike-pragma">
7736         <title>CONLIKE modifier</title>
7737         <indexterm><primary>CONLIKE</primary></indexterm>
7738         <para>An INLINE or NOINLINE pragma may have a CONLIKE modifier, 
7739         which affects matching in RULEs (only).  See <xref linkend="conlike"/>.
7740         </para>
7741       </sect3>
7742
7743       <sect3 id="phase-control">
7744         <title>Phase control</title>
7745
7746         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
7747         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
7748         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
7749         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
7750         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
7751         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
7752         sequence of phase numbers for successive runs of the
7753         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
7754         phase number, thus:
7755         <itemizedlist>
7756           <listitem>
7757             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7758             <literal>f</literal>
7759               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7760               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
7761             </para></listitem>
7762           <listitem>
7763             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
7764             <literal>f</literal>
7765               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7766               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7767             </para></listitem>
7768           <listitem>
7769             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7770             <literal>f</literal>
7771               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7772               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
7773               there was no pragma).
7774             </para></listitem>
7775             <listitem>
7776             <para>"<literal>NOINLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
7777             <literal>f</literal>
7778               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7779               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7780             </para></listitem>
7781         </itemizedlist>
7782 The same information is summarised here:
7783 <programlisting>
7784                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
7785   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
7786   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
7787   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
7788   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
7789
7790   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
7791   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
7792 </programlisting>
7793 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
7794 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
7795 Another way to understand the semantics is this:
7796 <itemizedlist>
7797 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
7798 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
7799 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
7800 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
7801 happen.
7802 </para></listitem>
7803 </itemizedlist>
7804 </para>
7805 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
7806         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
7807       </sect3>
7808     </sect2>
7809
7810     <sect2 id="annotation-pragmas">
7811       <title>ANN pragmas</title>
7812       
7813       <para>GHC offers the ability to annotate various code constructs with additional
7814       data by using three pragmas.  This data can then be inspected at a later date by
7815       using GHC-as-a-library.</para>
7816             
7817       <sect3 id="ann-pragma">
7818         <title>Annotating values</title>
7819         
7820         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7821         
7822         <para>Any expression that has both <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances may be attached to a top-level value
7823         binding using an <literal>ANN</literal> pragma. In particular, this means you can use <literal>ANN</literal>
7824         to annotate data constructors (e.g. <literal>Just</literal>) as well as normal values (e.g. <literal>take</literal>).
7825         By way of example, to annotate the function <literal>foo</literal> with the annotation <literal>Just "Hello"</literal>
7826         you would do this:</para>
7827         
7828 <programlisting>
7829 {-# ANN foo (Just "Hello") #-}
7830 foo = ...
7831 </programlisting>
7832         
7833         <para>
7834           A number of restrictions apply to use of annotations:
7835           <itemizedlist>
7836             <listitem><para>The binder being annotated must be at the top level (i.e. no nested binders)</para></listitem>
7837             <listitem><para>The binder being annotated must be declared in the current module</para></listitem>
7838             <listitem><para>The expression you are annotating with must have a type with <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances</para></listitem>
7839             <listitem><para>The <ulink linkend="using-template-haskell">Template Haskell staging restrictions</ulink> apply to the
7840             expression being annotated with, so for example you cannot run a function from the module being compiled.</para>
7841             
7842             <para>To be precise, the annotation <literal>{-# ANN x e #-}</literal> is well staged if and only if <literal>$(e)</literal> would be 
7843             (disregarding the usual type restrictions of the splice syntax, and the usual restriction on splicing inside a splice - <literal>$([|1|])</literal> is fine as an annotation, albeit redundant).</para></listitem>
7844           </itemizedlist>
7845           
7846           If you feel strongly that any of these restrictions are too onerous, <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/MailingListsAndIRC">
7847           please give the GHC team a shout</ulink>.
7848         </para>
7849         
7850         <para>However, apart from these restrictions, many things are allowed, including expressions which are not fully evaluated!
7851         Annotation expressions will be evaluated by the compiler just like Template Haskell splices are. So, this annotation is fine:</para>
7852         
7853 <programlisting>
7854 {-# ANN f SillyAnnotation { foo = (id 10) + $([| 20 |]), bar = 'f } #-}
7855 f = ...
7856 </programlisting>
7857       </sect3>
7858       
7859       <sect3 id="typeann-pragma">
7860         <title>Annotating types</title>
7861         
7862         <indexterm><primary>ANN type</primary></indexterm>
7863         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7864         
7865         <para>You can annotate types with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>type</literal> keyword. For example:</para>
7866         
7867 <programlisting>
7868 {-# ANN type Foo (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7869 data Foo = ...
7870 </programlisting>
7871       </sect3>
7872       
7873       <sect3 id="modann-pragma">
7874         <title>Annotating modules</title>
7875         
7876         <indexterm><primary>ANN module</primary></indexterm>
7877         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7878         
7879         <para>You can annotate modules with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>module</literal> keyword. For example:</para>
7880         
7881 <programlisting>
7882 {-# ANN module (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7883 </programlisting>
7884       </sect3>
7885     </sect2>
7886
7887     <sect2 id="line-pragma">
7888       <title>LINE pragma</title>
7889
7890       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7891       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
7892       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
7893       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
7894       code.  It lets you specify the line number and filename of the
7895       original code; for example</para>
7896
7897 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
7898
7899       <para>if you'd generated the current file from something called
7900       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
7901       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
7902       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
7903       pragma.</para>
7904     </sect2>
7905
7906     <sect2 id="rules">
7907       <title>RULES pragma</title>
7908
7909       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
7910       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
7911     </sect2>
7912
7913     <sect2 id="specialize-pragma">
7914       <title>SPECIALIZE pragma</title>
7915
7916       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7917       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
7918       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7919
7920       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
7921       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
7922       specialised to particular types.  Thus, if you have an
7923       overloaded function:</para>
7924
7925 <programlisting>
7926   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
7927 </programlisting>
7928
7929       <para>If it is heavily used on lists with
7930       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
7931       follows:</para>
7932
7933 <programlisting>
7934   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
7935 </programlisting>
7936
7937       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
7938       be put anywhere its type signature could be put.</para>
7939
7940       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
7941       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
7942       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
7943       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
7944
7945       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
7946         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
7947         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
7948 <programlisting>
7949   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
7950 </programlisting>
7951       is valid if and only if the definition
7952 <programlisting>
7953   f_spec :: &lt;type&gt;
7954   f_spec = f
7955 </programlisting>
7956       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
7957       for the original function, not its code):
7958 <programlisting>
7959   f :: Eq a => a -> b -> b
7960   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
7961
7962   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
7963   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
7964
7965   h :: Eq a => a -> a -> a
7966   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
7967 </programlisting>
7968 The last of these examples will generate a 
7969 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
7970 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
7971 </para>
7972
7973     <sect3 id="specialize-inline">
7974       <title>SPECIALIZE INLINE</title>
7975
7976 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
7977 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
7978 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
7979 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised version of the
7980 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
7981 example is this:
7982 <programlisting>
7983 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
7984 data Arr e where
7985   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
7986   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
7987
7988 (!:) :: Arr e -> Int -> e
7989 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
7990 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
7991 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
7992 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
7993 </programlisting>
7994 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
7995 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
7996 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
7997 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
7998 <literal>(!:)</literal>,
7999 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
8000 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
8001 unrolling of the indexing function.</para>
8002 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
8003 on an ordinarily-recursive function.</para>
8004 </sect3>
8005
8006 <sect3><title>SPECIALIZE for imported functions</title>
8007
8008 <para>
8009 Generally, you can only give a <literal>SPECIALIZE</literal> pragma
8010 for a function defined in the same module.
8011 However if a function <literal>f</literal> is given an <literal>INLINABLE</literal>
8012 pragma at its definition site, then it can subequently be specialised by
8013 importing modules (see <xref linkend="inlinable-pragma"/>).
8014 For example
8015 <programlisting>
8016 module Map( lookup, blah blah ) where
8017   lookup :: Ord key => [(key,a)] -> key -> Maybe a
8018   lookup = ...
8019   {-# INLINABLE lookup #-}
8020
8021 module Client where
8022   import Map( lookup )
8023
8024   data T = T1 | T2 deriving( Eq, Ord )
8025   {-# SPECIALISE lookup :: [(T,a)] -> T -> Maybe a
8026 </programlisting>
8027 Here, <literal>lookup</literal> is declared <literal>INLINABLE</literal>, but
8028 it cannot be specialised for type <literal>T</literal> at its definition site,
8029 because that type does not exist yet.  Instead a client module can define <literal>T</literal>
8030 and then specialise <literal>lookup</literal> at that type.
8031 </para>
8032 <para>
8033 Moreover, every module that imports <literal>Client</literal> (or imports a module
8034 that imports <literal>Client</literal>, transitively) will "see", and make use of,
8035 the specialised version of <literal>lookup</literal>.  You don't need to put
8036 a <literal>SPECIALIZE</literal> pragma in every module.
8037 </para>
8038 <para>
8039 Moreover you often don't even need the <literal>SPECIALIZE</literal> pragma in the
8040 first place. When compiling a module M,
8041 GHC's optimiser (with -O) automatically considers each top-level
8042 overloaded function declared in M, and specialises it
8043 for the different types at which it is called in M.  The optimiser
8044 <emphasis>also</emphasis> considers each <emphasis>imported</emphasis>
8045 <literal>INLINABLE</literal> overloaded function, and specialises it
8046 for the different types at which it is called in M.
8047 So in our example, it would be enough for <literal>lookup</literal> to
8048 be called at type <literal>T</literal>:
8049 <programlisting>
8050 module Client where
8051   import Map( lookup )
8052
8053   data T = T1 | T2 deriving( Eq, Ord )
8054
8055   findT1 :: [(T,a)] -> Maybe a
8056   findT1 m = lookup m T1   -- A call of lookup at type T
8057 </programlisting>
8058 However, sometimes there are no such calls, in which case the
8059 pragma can be useful.
8060 </para>
8061 </sect3>
8062
8063 <sect3><title>Obselete SPECIALIZE syntax</title>
8064
8065       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
8066       specialised function for a given type:
8067
8068 <programlisting>
8069 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
8070 </programlisting>
8071
8072       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
8073       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
8074 </sect3>
8075
8076     </sect2>
8077
8078 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
8079 <title>SPECIALIZE instance pragma
8080 </title>
8081
8082 <para>
8083 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
8084 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
8085 Same idea, except for instance declarations.  For example:
8086
8087 <programlisting>
8088 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
8089    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
8090    ... usual stuff ...
8091  }
8092 </programlisting>
8093 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
8094 of the instance declaration.
8095 </para>
8096 <para>
8097 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
8098 of the pragma.
8099 </para>
8100
8101 </sect2>
8102
8103     <sect2 id="unpack-pragma">
8104       <title>UNPACK pragma</title>
8105
8106       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
8107       
8108       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
8109       that it should unpack the contents of a constructor field into
8110       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
8111       example:</para>
8112
8113 <programlisting>
8114 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
8115            {-# UNPACK #-} !Float
8116 </programlisting>
8117
8118       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
8119       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
8120       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
8121       floats passed to a non-strict function for example, they will
8122       have to be reboxed (this is done automatically by the
8123       compiler).</para>
8124
8125       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
8126       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
8127       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
8128       often as possible.  For example:</para>
8129
8130 <programlisting>
8131 f :: T -&#62; Float
8132 f (T f1 f2) = f1 + f2
8133 </programlisting>
8134
8135       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
8136       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
8137       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
8138
8139       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
8140       example</para>
8141
8142 <programlisting>
8143 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
8144 </programlisting>
8145
8146       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
8147       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
8148       Multi-level unpacking is also supported:
8149
8150 <programlisting>
8151 data T = T {-# UNPACK #-} !S
8152 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
8153 </programlisting>
8154
8155       will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
8156       directly in the <function>T</function> constructor.  The
8157       unpacker can see through newtypes, too.</para>
8158
8159       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
8160       which essentially has the effect of adding
8161       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
8162       constructor field.</para>
8163     </sect2>
8164
8165     <sect2 id="source-pragma">
8166       <title>SOURCE pragma</title>
8167
8168       <indexterm><primary>SOURCE</primary></indexterm>
8169      <para>The <literal>{-# SOURCE #-}</literal> pragma is used only in <literal>import</literal> declarations,
8170      to break a module loop.  It is described in detail in <xref linkend="mutual-recursion"/>.
8171      </para>
8172 </sect2>
8173
8174 </sect1>
8175
8176 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
8177
8178 <sect1 id="rewrite-rules">
8179 <title>Rewrite rules
8180
8181 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
8182 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
8183 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
8184
8185 <para>
8186 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
8187 (in a pragma).  
8188 Here is an example:
8189
8190 <programlisting>
8191   {-# RULES
8192   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
8193     #-}
8194 </programlisting>
8195 </para>
8196 <para>
8197 Use the debug flag <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules fired.
8198 If you need more information, then <option>-ddump-rule-firings</option> shows you
8199 each individual rule firing and <option>-ddump-rule-rewrites</option> also shows what the code looks like before and after the rewrite.
8200 </para>
8201
8202 <sect2>
8203 <title>Syntax</title>
8204
8205 <para>
8206 From a syntactic point of view:
8207
8208 <itemizedlist>
8209
8210 <listitem>
8211 <para>
8212  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma, separated by semicolons (which
8213  may be generated by the layout rule).
8214 </para>
8215 </listitem>
8216
8217 <listitem>
8218 <para>
8219 The layout rule applies in a pragma.
8220 Currently no new indentation level
8221 is set, so if you put several rules in single RULES pragma and wish to use layout to separate them,
8222 you must lay out the starting in the same column as the enclosing definitions.
8223 <programlisting>
8224   {-# RULES
8225   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
8226   "map/append" forall f xs ys. map f (xs ++ ys) = map f xs ++ map f ys
8227     #-}
8228 </programlisting>
8229 Furthermore, the closing <literal>#-}</literal>
8230 should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>.
8231 </para>
8232 </listitem>
8233
8234 <listitem>
8235 <para>
8236  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
8237 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
8238 </para>
8239 </listitem>
8240
8241 <listitem>
8242 <para>
8243 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
8244 immediately after the name of the rule.  Thus:
8245 <programlisting>
8246   {-# RULES
8247         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
8248     #-}
8249 </programlisting>
8250 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
8251 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
8252 Phase 2.
8253 </para>
8254 </listitem>
8255
8256
8257
8258 <listitem>
8259 <para>
8260  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
8261 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
8262 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
8263 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
8264 </para>
8265 </listitem>
8266 <listitem>
8267
8268 <para>
8269  A pattern variable may optionally have a type signature.
8270 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
8271 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
8272
8273 <programlisting>
8274 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
8275               foldr k z (build g) = g k z
8276 </programlisting>
8277
8278 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
8279
8280 </para>
8281 </listitem>
8282 <listitem>
8283
8284 <para>
8285 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
8286 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
8287
8288 <programlisting>
8289 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
8290 "wrong2"   forall f.      f True = True
8291 </programlisting>
8292
8293 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
8294 in the head.
8295 </para>
8296 </listitem>
8297 <listitem>
8298
8299 <para>
8300  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
8301 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
8302 </para>
8303 </listitem>
8304 <listitem>
8305
8306 <para>
8307  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
8308 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
8309 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
8310 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
8311 declarations.
8312 </para>
8313 </listitem>
8314
8315 <listitem>
8316
8317 <para>
8318 Inside a RULE "<literal>forall</literal>" is treated as a keyword, regardless of
8319 any other flag settings.  Furthermore, inside a RULE, the language extension
8320 <option>-XScopedTypeVariables</option> is automatically enabled; see 
8321 <xref linkend="scoped-type-variables"/>.
8322 </para>
8323 </listitem>
8324 <listitem>
8325
8326 <para>
8327 Like other pragmas, RULE pragmas are always checked for scope errors, and
8328 are typechecked. Typechecking means that the LHS and RHS of a rule are typechecked, 
8329 and must have the same type.  However, rules are only <emphasis>enabled</emphasis>
8330 if the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag is 
8331 on (see <xref linkend="rule-semantics"/>).
8332 </para>
8333 </listitem>
8334 </itemizedlist>
8335
8336 </para>
8337
8338 </sect2>
8339
8340 <sect2 id="rule-semantics">
8341 <title>Semantics</title>
8342
8343 <para>
8344 From a semantic point of view:
8345
8346 <itemizedlist>
8347 <listitem>
8348 <para>
8349 Rules are enabled (that is, used during optimisation)
8350 by the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag.
8351 This flag is implied by <option>-O</option>, and may be switched
8352 off (as usual) by <option>-fno-enable-rewrite-rules</option>.
8353 (NB: enabling <option>-fenable-rewrite-rules</option> without <option>-O</option> 
8354 may not do what you expect, though, because without <option>-O</option> GHC 
8355 ignores all optimisation information in interface files;
8356 see <option>-fignore-interface-pragmas</option>, <xref linkend="options-f"/>.)
8357 Note that <option>-fenable-rewrite-rules</option> is an <emphasis>optimisation</emphasis> flag, and
8358 has no effect on parsing or typechecking.
8359 </para>
8360 </listitem>
8361
8362 <listitem>
8363 <para>
8364  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
8365 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
8366 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
8367 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
8368 expression by substituting for the pattern variables.
8369
8370 </para>
8371 </listitem>
8372 <listitem>
8373
8374 <para>
8375  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
8376 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
8377 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
8378
8379 </para>
8380 </listitem>
8381 <listitem>
8382
8383 <para>
8384  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
8385 terminating.  For example:
8386
8387 <programlisting>
8388   "loop"        forall x y.  f x y = f y x
8389 </programlisting>
8390
8391 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
8392
8393 </para>
8394 </listitem>
8395 <listitem>
8396
8397 <para>
8398  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
8399
8400 </para>
8401 </listitem>
8402 <listitem>
8403 <para>
8404  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
8405 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
8406 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
8407 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
8408 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
8409 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
8410 </para>
8411
8412 <para>
8413 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
8414 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
8415 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
8416 </para>
8417 </listitem>
8418 <listitem>
8419
8420 <para>
8421  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
8422 For example, consider:
8423
8424 <programlisting>
8425   let s = map f
8426       t = map g
8427   in
8428   s (t xs)
8429 </programlisting>
8430
8431 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
8432 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
8433 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
8434 not be substituted, and the rule would not fire.
8435
8436 </para>
8437 </listitem>
8438 </itemizedlist>
8439
8440 </para>
8441
8442 </sect2>
8443
8444 <sect2 id="conlike">
8445 <title>How rules interact with INLINE/NOINLINE and CONLIKE pragmas</title>
8446
8447 <para>
8448 Ordinary inlining happens at the same time as rule rewriting, which may lead to unexpected
8449 results.  Consider this (artificial) example
8450 <programlisting>
8451 f x = x
8452 g y = f y
8453 h z = g True
8454
8455 {-# RULES "f" f True = False #-}
8456 </programlisting>
8457 Since <literal>f</literal>'s right-hand side is small, it is inlined into <literal>g</literal>,
8458 to give
8459 <programlisting>
8460 g y = y
8461 </programlisting>
8462 Now <literal>g</literal> is inlined into <literal>h</literal>, but <literal>f</literal>'s RULE has
8463 no chance to fire.  
8464 If instead GHC had first inlined <literal>g</literal> into <literal>h</literal> then there
8465 would have been a better chance that <literal>f</literal>'s RULE might fire.  
8466 </para>
8467 <para>
8468 The way to get predictable behaviour is to use a NOINLINE 
8469 pragma, or an INLINE[<replaceable>phase</replaceable>] pragma, on <literal>f</literal>, to ensure
8470 that it is not inlined until its RULEs have had a chance to fire.
8471 </para>
8472 <para>
8473 GHC is very cautious about duplicating work.  For example, consider
8474 <programlisting>
8475 f k z xs = let xs = build g
8476            in ...(foldr k z xs)...sum xs...
8477 {-# RULES "foldr/build" forall k z g. foldr k z (build g) = g k z #-}
8478 </programlisting>
8479 Since <literal>xs</literal> is used twice, GHC does not fire the foldr/build rule.  Rightly
8480 so, because it might take a lot of work to compute <literal>xs</literal>, which would be
8481 duplicated if the rule fired.
8482 </para>
8483 <para>
8484 Sometimes, however, this approach is over-cautious, and we <emphasis>do</emphasis> want the
8485 rule to fire, even though doing so would duplicate redex.  There is no way that GHC can work out
8486 when this is a good idea, so we provide the CONLIKE pragma to declare it, thus:
8487 <programlisting>
8488 {-# INLINE[1] CONLIKE f #-}
8489 f x = <replaceable>blah</replaceable>
8490 </programlisting>
8491 CONLIKE is a modifier to an INLINE or NOINLINE pragam.  It specifies that an application
8492 of f to one argument (in general, the number of arguments to the left of the '=' sign)
8493 should be considered cheap enough to duplicate, if such a duplication would make rule
8494 fire.  (The name "CONLIKE" is short for "constructor-like", because constructors certainly
8495 have such a property.)
8496 The CONLIKE pragam is a modifier to INLINE/NOINLINE because it really only makes sense to match 
8497 <literal>f</literal> on the LHS of a rule if you are sure that <literal>f</literal> is
8498 not going to be inlined before the rule has a chance to fire.
8499 </para>
8500 </sect2>
8501
8502 <sect2>
8503 <title>List fusion</title>
8504
8505 <para>
8506 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
8507 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
8508 intermediate list should be eliminated entirely.
8509 </para>
8510
8511 <para>
8512 The following are good producers:
8513
8514 <itemizedlist>
8515 <listitem>
8516
8517 <para>
8518  List comprehensions
8519 </para>
8520 </listitem>
8521 <listitem>
8522
8523 <para>
8524  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
8525 </para>
8526 </listitem>
8527 <listitem>
8528
8529 <para>
8530  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
8531 </para>
8532 </listitem>
8533 <listitem>
8534
8535 <para>
8536  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
8537 </para>
8538 </listitem>
8539 <listitem>
8540
8541 <para>
8542  <function>++</function>
8543 </para>
8544 </listitem>
8545
8546 <listitem>
8547 <para>
8548  <function>map</function>
8549 </para>
8550 </listitem>
8551
8552 <listitem>
8553 <para>
8554 <function>take</function>, <function>filter</function>
8555 </para>
8556 </listitem>
8557 <listitem>
8558
8559 <para>
8560  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
8561 </para>
8562 </listitem>
8563 <listitem>
8564
8565 <para>
8566  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
8567 </para>
8568 </listitem>
8569
8570 </itemizedlist>
8571
8572 </para>
8573
8574 <para>
8575 The following are good consumers:
8576
8577 <itemizedlist>
8578 <listitem>
8579
8580 <para>
8581  List comprehensions
8582 </para>
8583 </listitem>
8584 <listitem>
8585
8586 <para>
8587  <function>array</function> (on its second argument)
8588 </para>
8589 </listitem>
8590 <listitem>
8591
8592 <para>
8593  <function>++</function> (on its first argument)
8594 </para>
8595 </listitem>
8596
8597 <listitem>
8598 <para>
8599  <function>foldr</function>
8600 </para>
8601 </listitem>
8602
8603 <listitem>
8604 <para>
8605  <function>map</function>
8606 </para>
8607 </listitem>
8608 <listitem>
8609
8610 <para>
8611 <function>take</function>, <function>filter</function>
8612 </para>
8613 </listitem>
8614 <listitem>
8615
8616 <para>
8617  <function>concat</function>
8618 </para>
8619 </listitem>
8620 <listitem>
8621
8622 <para>
8623  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
8624 </para>
8625 </listitem>
8626 <listitem>
8627
8628 <para>
8629  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
8630 will fuse with one but not the other)
8631 </para>
8632 </listitem>
8633 <listitem>
8634
8635 <para>
8636  <function>partition</function>
8637 </para>
8638 </listitem>
8639 <listitem>
8640
8641 <para>
8642  <function>head</function>
8643 </para>
8644 </listitem>
8645 <listitem>
8646
8647 <para>
8648  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
8649 </para>
8650 </listitem>
8651 <listitem>
8652
8653 <para>
8654  <function>sequence&lowbar;</function>
8655 </para>
8656 </listitem>
8657 <listitem>
8658
8659 <para>
8660  <function>msum</function>
8661 </para>
8662 </listitem>
8663 <listitem>
8664
8665 <para>
8666  <function>sortBy</function>
8667 </para>
8668 </listitem>
8669
8670 </itemizedlist>
8671
8672 </para>
8673
8674  <para>
8675 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
8676
8677 <programlisting>
8678 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
8679 </programlisting>
8680
8681 </para>
8682
8683 <para>
8684 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
8685 a lot which are not included, please tell us.
8686 </para>
8687
8688 <para>
8689 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
8690 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
8691 </para>
8692
8693 </sect2>
8694
8695 <sect2 id="rule-spec">
8696 <title>Specialisation
8697 </title>
8698
8699 <para>
8700 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
8701 present in earlier versions of GHC.
8702 For example, suppose that:
8703
8704 <programlisting>
8705 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
8706 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
8707 </programlisting>
8708
8709 where <function>intLookup</function> is an implementation of
8710 <function>genericLookup</function> that works very fast for
8711 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
8712 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
8713 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
8714 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
8715 It used to be possible to write
8716
8717 <programlisting>
8718 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
8719 </programlisting>
8720
8721 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
8722
8723 <programlisting>
8724 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
8725 </programlisting>
8726
8727 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
8728 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
8729 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
8730 What is more, this rule does not need to be in the same
8731 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
8732 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
8733 have an original definition available to specialise).
8734 </para>
8735
8736 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
8737 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
8738 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
8739
8740 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
8741 specialisation will Win Big:
8742
8743 <programlisting>
8744 toDouble :: Real a => a -> Double
8745 toDouble = fromRational . toRational
8746
8747 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
8748 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
8749 </programlisting>
8750
8751 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
8752 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
8753 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
8754 comparison.
8755 </para>
8756
8757 </sect2>
8758
8759 <sect2 id="controlling-rules">
8760 <title>Controlling what's going on in rewrite rules</title>
8761
8762 <para>
8763
8764 <itemizedlist>
8765 <listitem>
8766
8767 <para>
8768 Use <option>-ddump-rules</option> to see the rules that are defined
8769 <emphasis>in this module</emphasis>.
8770 This includes rules generated by the specialisation pass, but excludes
8771 rules imported from other modules. 
8772 </para>
8773 </listitem>
8774
8775 <listitem>
8776 <para>
8777  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
8778 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
8779 </para>
8780 </listitem>
8781
8782 <listitem>
8783 <para>
8784  Use <option>-ddump-rule-firings</option> or <option>-ddump-rule-rewrites</option>
8785 to see in great detail what rules are being fired.
8786 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a still more detailed listing.
8787 </para>
8788 </listitem>
8789
8790 <listitem>
8791 <para>
8792  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks like this:
8793
8794 <programlisting>
8795         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
8796         {-# INLINE build #-}
8797         build g = g (:) []
8798 </programlisting>
8799
8800 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
8801 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
8802 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
8803 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
8804
8805 </para>
8806 </listitem>
8807 <listitem>
8808
8809 <para>
8810  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
8811 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
8812 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
8813 </para>
8814 </listitem>
8815
8816 </itemizedlist>
8817
8818 </para>
8819
8820 </sect2>
8821
8822 <sect2 id="core-pragma">
8823   <title>CORE pragma</title>
8824
8825   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
8826   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
8827   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
8828
8829 <para>
8830   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
8831   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
8832   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
8833   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
8834   literal as an argument.  The following function definition shows an
8835   example:
8836
8837 <programlisting>
8838 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
8839 </programlisting>
8840
8841   Semantically, this is equivalent to:
8842
8843 <programlisting>
8844 g x = show x
8845 </programlisting>
8846 </para>
8847
8848 <para>
8849   However, when external core is generated (via
8850   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
8851   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
8852   The core function declaration for <function>f</function> is:
8853 </para>
8854
8855 <programlisting>
8856   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
8857                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
8858     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
8859         (%note "foo"
8860          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
8861            {GHCziShow.ZCDShow
8862             (tpl1::GHCziBase.Int ->
8863                    a ->
8864                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8865 r)
8866             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
8867             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
8868                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8869 r) ->
8870               tpl2})
8871         (%note "bar"
8872          eta);
8873 </programlisting>
8874
8875 <para>
8876   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
8877   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
8878   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
8879   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
8880   <varname>x</varname>).
8881 </para>
8882
8883 </sect2>
8884
8885 </sect1>
8886
8887 <sect1 id="special-ids">
8888 <title>Special built-in functions</title>
8889 <para>GHC has a few built-in functions with special behaviour.  These
8890 are now described in the module <ulink
8891 url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html"><literal>GHC.Prim</literal></ulink>
8892 in the library documentation.
8893 In particular:
8894 <itemizedlist>
8895 <listitem><para>
8896 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html#v%3Ainline"><literal>inline</literal></ulink>
8897 allows control over inlining on a per-call-site basis.
8898 </para></listitem>
8899 <listitem><para>
8900 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html#v%3Alazy"><literal>lazy</literal></ulink>
8901 restrains the strictness analyser.
8902 </para></listitem>
8903 <listitem><para>
8904 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html#v%3AunsafeCoerce%23"><literal>lazy</literal></ulink> 
8905 allows you to fool the type checker.
8906 </para></listitem>
8907 </itemizedlist>
8908 </para>
8909 </sect1>
8910
8911
8912 <sect1 id="generic-classes">
8913 <title>Generic classes</title>
8914
8915 <para>
8916 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
8917 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
8918 An example will give the idea:
8919 </para>
8920
8921 <programlisting>
8922   import Generics
8923
8924   class Bin a where
8925     toBin   :: a -> [Int]
8926     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
8927   
8928     toBin {| Unit |}    Unit      = []
8929     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
8930     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
8931     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
8932   
8933     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
8934     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
8935     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
8936     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
8937                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
8938 </programlisting>
8939 <para>
8940 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
8941 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
8942 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
8943 </para>
8944 <programlisting>
8945   data Unit    = Unit
8946   data a :+: b = Inl a | Inr b
8947   data a :*: b = a :*: b
8948 </programlisting>
8949 <para>
8950 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
8951 <programlisting>
8952   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
8953   instance Bin a => Bin [a]
8954 </programlisting>
8955 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
8956 where clause and over-ride whichever methods you please.
8957 </para>
8958
8959     <sect2>
8960       <title> Using generics </title>
8961       <para>To use generics you need to</para>
8962       <itemizedlist>
8963         <listitem>
8964           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
8965                 <option>-XGenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
8966                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
8967                 available.  </para>
8968         </listitem>
8969         <listitem>
8970           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
8971           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
8972           scope the data types <literal>Unit</literal>,
8973           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
8974           don't need this import if you don't mention these types
8975           explicitly; for example, if you are simply giving instance
8976           declarations.)</para>
8977         </listitem>
8978       </itemizedlist>
8979     </sect2>
8980
8981 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
8982 <para>
8983 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
8984 can be written infix (indeed, you can now use
8985 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
8986 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
8987 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
8988 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
8989 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
8990 anticipate wanting).
8991 </para>
8992 </sect2>
8993
8994 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
8995 <para>
8996 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
8997 is one that is defined using type patterns as above.
8998 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
8999 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
9000 generic default method.
9001 </para>
9002
9003 <para>
9004 Restrictions:
9005 <itemizedlist>
9006 <listitem>
9007 <para>
9008 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
9009 field labels.
9010 </para>
9011 </listitem>
9012
9013 <listitem>
9014 <para>
9015 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
9016 multi-parameter class.
9017 </para>
9018 </listitem>
9019
9020 <listitem>
9021 <para>
9022 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
9023 without.  So this is illegal:
9024 <programlisting>
9025   class Foo a where
9026     op :: a -> (a, Bool)
9027     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
9028     op x               = (x,    False)
9029 </programlisting>
9030 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
9031 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
9032 </para>
9033 </listitem>
9034
9035 <listitem>
9036 <para>
9037 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
9038 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:
9039 <programlisting>
9040   class Foo a where
9041     op :: a -> Bool
9042     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
9043     ...
9044 </programlisting>
9045 </para>
9046 </listitem>
9047
9048 <listitem>
9049 <para>
9050 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
9051 <programlisting>
9052        a :+: b
9053        a :*: b
9054        Unit
9055 </programlisting>
9056 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
9057 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
9058 must use the same type variables.  So this is illegal:
9059 <programlisting>
9060   class Foo a where
9061     op :: a -> Bool
9062     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
9063     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
9064 </programlisting>
9065 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
9066 So this too is illegal:
9067 <programlisting>
9068   class Foo a where
9069     op1 :: a -> Bool
9070     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
9071
9072     op2 :: a -> Bool
9073     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
9074 </programlisting>
9075 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type constructor
9076 into a single generic instance declaration.)
9077 </para>
9078 </listitem>
9079
9080 <listitem>
9081 <para>
9082 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
9083 </para>
9084 </listitem>
9085
9086 <listitem>
9087 <para>
9088 The type for a generic method can be built only from:
9089   <itemizedlist>
9090   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
9091   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
9092   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
9093   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
9094   </itemizedlist>
9095 Here are some example type signatures for generic methods:
9096 <programlisting>
9097     op1 :: a -> Bool
9098     op2 :: Bool -> (a,Bool)
9099     op3 :: [Int] -> a -> a
9100     op4 :: [a] -> Bool
9101 </programlisting>
9102 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
9103 inside a list.  
9104 </para>
9105 <para>
9106 This restriction is an implementation restriction: we just haven't got around to
9107 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
9108 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
9109 to the ones that are allowed.</para>
9110 </listitem>
9111
9112 <listitem>
9113 <para>
9114 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
9115 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
9116 do so if
9117   <itemizedlist>
9118   <listitem>
9119   <para>
9120   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
9121   </para>
9122   </listitem>
9123   <listitem>
9124   <para>
9125   No constructor of the instance type has unboxed fields.
9126   </para>
9127   </listitem>
9128   </itemizedlist>
9129 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
9130 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
9131 provided you give explicit code to override any generic default methods.
9132 </para>
9133 </listitem>
9134
9135 </itemizedlist>
9136 </para>
9137
9138 <para>
9139 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
9140 what the compiler does with generic declarations.
9141 </para>
9142
9143 </sect2>
9144
9145 <sect2> <title> Another example </title>
9146 <para>
9147 Just to finish with, here's another example I rather like:
9148 <programlisting>
9149   class Tag a where
9150     nCons :: a -> Int
9151     nCons {| Unit |}    _ = 1
9152     nCons {| a :*: b |} _ = 1
9153     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
9154   
9155     tag :: a -> Int
9156     tag {| Unit |}    _       = 1
9157     tag {| a :*: b |} _       = 1   
9158     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
9159     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
9160 </programlisting>
9161 </para>
9162 </sect2>
9163 </sect1>
9164
9165 <sect1 id="monomorphism">
9166 <title>Control over monomorphism</title>
9167
9168 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
9169 carried out at let and where bindings.
9170 </para>
9171
9172 <sect2>
9173 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
9174           <indexterm><primary><option>-XNoMonomorphismRestriction</option></primary></indexterm>
9175
9176 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
9177 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
9178 4.5.5</ulink>
9179 of the Haskell Report)
9180 can be completely switched off by
9181 <option>-XNoMonomorphismRestriction</option>.
9182 </para>
9183 </sect2>
9184
9185 <sect2>
9186 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
9187           <indexterm><primary><option>-XNoMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
9188           <indexterm><primary><option>-XMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
9189
9190           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
9191           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
9192             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
9193             and is not a simple variable.  For example:
9194 <programlisting>
9195   f x = x                    -- Not a pattern binding
9196   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
9197   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
9198
9199   (g,h) = e                  -- A pattern binding
9200   (f) = e                    -- A pattern binding
9201   [x] = e                    -- A pattern binding
9202 </programlisting>
9203 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
9204 default</emphasis>.  Use <option>-XNoMonoPatBinds</option> to recover the
9205 standard behaviour.
9206 </para>
9207 </sect2>
9208 </sect1>
9209
9210
9211
9212 <!-- Emacs stuff:
9213      ;;; Local Variables: ***
9214      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
9215      ;;; ispell-local-dictionary: "british" ***
9216      ;;; End: ***
9217  -->
9218