c0feb5bff0f803e9588f011dd7a60ae4615b46eb
[ghc-hetmet.git] / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>The language option flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>Language options can be controlled in two ways:
46     <itemizedlist>
47       <listitem><para>Every language option can switched on by a command-line flag "<option>-X...</option>" 
48         (e.g. <option>-XTemplateHaskell</option>), and switched off by the flag "<option>-XNo...</option>"; 
49         (e.g. <option>-XNoTemplateHaskell</option>).</para></listitem>
50       <listitem><para>
51           Language options recognised by Cabal can also be enabled using the <literal>LANGUAGE</literal> pragma,
52           thus <literal>{-# LANGUAGE TemplateHaskell #-}</literal> (see <xref linkend="language-pragma"/>). </para>
53           </listitem>
54       </itemizedlist></para>
55
56     <para>The flag <option>-fglasgow-exts</option>
57           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
58           is equivalent to enabling the following extensions: 
59           <option>-XPrintExplicitForalls</option>,
60           <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
61           <option>-XUnliftedFFITypes</option>,
62           <option>-XGADTs</option>,
63           <option>-XImplicitParams</option>,
64           <option>-XScopedTypeVariables</option>,
65           <option>-XUnboxedTuples</option>,
66           <option>-XTypeSynonymInstances</option>,
67           <option>-XStandaloneDeriving</option>,
68           <option>-XDeriveDataTypeable</option>,
69           <option>-XFlexibleContexts</option>,
70           <option>-XFlexibleInstances</option>,
71           <option>-XConstrainedClassMethods</option>,
72           <option>-XMultiParamTypeClasses</option>,
73           <option>-XFunctionalDependencies</option>,
74           <option>-XMagicHash</option>,
75           <option>-XPolymorphicComponents</option>,
76           <option>-XExistentialQuantification</option>,
77           <option>-XUnicodeSyntax</option>,
78           <option>-XPostfixOperators</option>,
79           <option>-XPatternGuards</option>,
80           <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
81           <option>-XRankNTypes</option>,
82           <option>-XImpredicativeTypes</option>,
83           <option>-XTypeOperators</option>,
84           <option>-XRecursiveDo</option>,
85           <option>-XParallelListComp</option>,
86           <option>-XEmptyDataDecls</option>,
87           <option>-XKindSignatures</option>,
88           <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
89           <option>-XTypeFamilies</option>.
90             Enabling these options is the <emphasis>only</emphasis> 
91             effect of <option>-fglasgow-exts</option>.
92           We are trying to move away from this portmanteau flag, 
93           and towards enabling features individually.</para>
94
95   </sect1>
96
97 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
98 <sect1 id="primitives">
99   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
100
101 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations;
102 "primitive" in the sense that they cannot be defined in Haskell itself.
103 While you really can use this stuff to write fast code,
104   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
105   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
106   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
107   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
108   about it.</para>
109
110 <para>All these primitive data types and operations are exported by the 
111 library <literal>GHC.Prim</literal>, for which there is 
112 <ulink url="../libraries/ghc-prim/GHC-Prim.html">detailed online documentation</ulink>.
113 (This documentation is generated from the file <filename>compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.)
114 </para>
115 <para>
116 If you want to mention any of the primitive data types or operations in your
117 program, you must first import <literal>GHC.Prim</literal> to bring them
118 into scope.  Many of them have names ending in "&num;", and to mention such
119 names you need the <option>-XMagicHash</option> extension (<xref linkend="magic-hash"/>).
120 </para>
121
122 <para>The primops make extensive use of <link linkend="glasgow-unboxed">unboxed types</link> 
123 and <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link>, which
124 we briefly summarise here. </para>
125   
126 <sect2 id="glasgow-unboxed">
127 <title>Unboxed types
128 </title>
129
130 <para>
131 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
132 </para>
133
134 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
135 that values of that type are represented by a pointer to a heap
136 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
137 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
138 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
139 allocation are involved.
140 </para>
141
142 <para>
143 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
144 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
145 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
146 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
147 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
148 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
149 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
150 know and love&mdash;usually one instruction.
151 </para>
152
153 <para>
154 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
155 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
156 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
157 bottom.  We use the convention (but it is only a convention) 
158 that primitive types, values, and
159 operations have a <literal>&num;</literal> suffix (see <xref linkend="magic-hash"/>).
160 For some primitive types we have special syntax for literals, also
161 described in the <link linkend="magic-hash">same section</link>.
162 </para>
163
164 <para>
165 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
166 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
167 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
168 a primitive value might be represented by a pointer to a
169 heap-allocated object.  Examples include
170 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
171 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
172 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
173 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
174 represents a primitive value, then it really does point to that value:
175 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
176 other end of the pointer than the primitive value.
177 A numerically-intensive program using unboxed types can
178 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
179 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
180 </para>
181
182 <para>
183 There are some restrictions on the use of primitive types:
184 <itemizedlist>
185 <listitem><para>The main restriction
186 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
187 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
188 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
189 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
190 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
191 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
192 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
193 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
194 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
195 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
196 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
197 </para>
198 </listitem>
199 <listitem><para> You cannot define a newtype whose representation type
200 (the argument type of the data constructor) is an unboxed type.  Thus,
201 this is illegal:
202 <programlisting>
203   newtype A = MkA Int#
204 </programlisting>
205 </para></listitem>
206 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
207 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
208 </para></listitem>
209 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
210 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
211 </para></listitem>
212 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
213 non-top-level) pattern binding, but you must make any such pattern-match
214 strict.  For example, rather than:
215 <programlisting>
216   data Foo = Foo Int Int#
217
218   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
219 </programlisting>
220 you must write:
221 <programlisting>
222   data Foo = Foo Int Int#
223
224   f x = let !(Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
225 </programlisting>
226 since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>.
227 </para>
228 </listitem>
229 </itemizedlist>
230 </para>
231
232 </sect2>
233
234 <sect2 id="unboxed-tuples">
235 <title>Unboxed Tuples
236 </title>
237
238 <para>
239 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
240 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
241 unboxed tuple looks like this:
242 </para>
243
244 <para>
245
246 <programlisting>
247 (# e_1, ..., e_n #)
248 </programlisting>
249
250 </para>
251
252 <para>
253 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
254 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
255 the same.
256 </para>
257
258 <para>
259 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
260 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
261 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
262 components are put directly into registers or on the stack; the
263 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
264 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
265 tuples.
266 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
267 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
268 </para>
269
270 <para>
271 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
272 <itemizedlist>
273 <listitem>
274
275 <para>
276 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
277 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
278 structures or passed to polymorphic functions.
279
280 </para>
281 </listitem>
282 <listitem>
283
284 <para>
285 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
286 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
287
288
289 <programlisting>
290   data Foo = Foo (# Int, Int #)
291
292   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
293   f x = x
294
295   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
296   g (# a,b #) = a
297
298   h x = let y = (# x,x #) in ...
299 </programlisting>
300 </para>
301 </listitem>
302 </itemizedlist>
303 </para>
304 <para>
305 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
306 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
307 <programlisting>
308   f x y = (# x+1, y-1 #)
309   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
310 </programlisting>
311 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
312 <programlisting>
313   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
314 </programlisting>
315 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
316 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
317 above example desugars like this:
318 <programlisting>
319   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
320             p = fst t
321             q = snd t
322         in ..body..
323 </programlisting>
324 Indeed, the bindings can even be recursive.
325 </para>
326
327 </sect2>
328 </sect1>
329
330
331 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
332
333 <sect1 id="syntax-extns">
334 <title>Syntactic extensions</title>
335  
336     <sect2 id="unicode-syntax">
337       <title>Unicode syntax</title>
338       <para>The language
339       extension <option>-XUnicodeSyntax</option><indexterm><primary><option>-XUnicodeSyntax</option></primary></indexterm>
340       enables Unicode characters to be used to stand for certain ASCII
341       character sequences.  The following alternatives are provided:</para>
342
343       <informaltable>
344         <tgroup cols="2" align="left" colsep="1" rowsep="1">
345           <thead>
346             <row>
347               <entry>ASCII</entry>
348               <entry>Unicode alternative</entry>
349               <entry>Code point</entry>
350               <entry>Name</entry>
351             </row>
352           </thead>
353           <tbody>
354             <row>
355               <entry><literal>::</literal></entry>
356               <entry>::</entry> <!-- no special char, apparently -->
357               <entry>0x2237</entry>
358               <entry>PROPORTION</entry>
359             </row>
360           </tbody>
361           <tbody>
362             <row>
363               <entry><literal>=&gt;</literal></entry>
364               <entry>&rArr;</entry>
365               <entry>0x21D2</entry>
366               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW</entry>
367             </row>
368           </tbody>
369           <tbody>
370             <row>
371               <entry><literal>forall</literal></entry>
372               <entry>&forall;</entry>
373               <entry>0x2200</entry>
374               <entry>FOR ALL</entry>
375             </row>
376           </tbody>
377           <tbody>
378             <row>
379               <entry><literal>-&gt;</literal></entry>
380               <entry>&rarr;</entry>
381               <entry>0x2192</entry>
382               <entry>RIGHTWARDS ARROW</entry>
383             </row>
384           </tbody>
385           <tbody>
386             <row>
387               <entry><literal>&lt;-</literal></entry>
388               <entry>&larr;</entry>
389               <entry>0x2190</entry>
390               <entry>LEFTWARDS ARROW</entry>
391             </row>
392           </tbody>
393           <tbody>
394             <row>
395               <entry>..</entry>
396               <entry>&hellip;</entry>
397               <entry>0x22EF</entry>
398               <entry>MIDLINE HORIZONTAL ELLIPSIS</entry>
399             </row>
400           </tbody>
401         </tgroup>
402       </informaltable>
403     </sect2>
404
405     <sect2 id="magic-hash">
406       <title>The magic hash</title>
407       <para>The language extension <option>-XMagicHash</option> allows "&num;" as a
408         postfix modifier to identifiers.  Thus, "x&num;" is a valid variable, and "T&num;" is
409         a valid type constructor or data constructor.</para>
410
411       <para>The hash sign does not change sematics at all.  We tend to use variable
412         names ending in "&num;" for unboxed values or types (e.g. <literal>Int&num;</literal>), 
413         but there is no requirement to do so; they are just plain ordinary variables.
414         Nor does the <option>-XMagicHash</option> extension bring anything into scope.
415         For example, to bring <literal>Int&num;</literal> into scope you must 
416         import <literal>GHC.Prim</literal> (see <xref linkend="primitives"/>); 
417         the <option>-XMagicHash</option> extension
418         then allows you to <emphasis>refer</emphasis> to the <literal>Int&num;</literal>
419         that is now in scope.</para>
420       <para> The <option>-XMagicHash</option> also enables some new forms of literals (see <xref linkend="glasgow-unboxed"/>):
421         <itemizedlist> 
422           <listitem><para> <literal>'x'&num;</literal> has type <literal>Char&num;</literal></para> </listitem>
423           <listitem><para> <literal>&quot;foo&quot;&num;</literal> has type <literal>Addr&num;</literal></para> </listitem>
424           <listitem><para> <literal>3&num;</literal> has type <literal>Int&num;</literal>. In general,
425           any Haskell 98 integer lexeme followed by a <literal>&num;</literal> is an <literal>Int&num;</literal> literal, e.g.
426             <literal>-0x3A&num;</literal> as well as <literal>32&num;</literal></para>.</listitem>
427           <listitem><para> <literal>3&num;&num;</literal> has type <literal>Word&num;</literal>. In general,
428           any non-negative Haskell 98 integer lexeme followed by <literal>&num;&num;</literal> 
429               is a <literal>Word&num;</literal>. </para> </listitem>
430           <listitem><para> <literal>3.2&num;</literal> has type <literal>Float&num;</literal>.</para> </listitem>
431           <listitem><para> <literal>3.2&num;&num;</literal> has type <literal>Double&num;</literal></para> </listitem>
432           </itemizedlist>
433       </para>
434    </sect2>
435
436     <sect2 id="new-qualified-operators">
437       <title>New qualified operator syntax</title>
438
439       <para>A new syntax for referencing qualified operators is
440         planned to be introduced by Haskell', and is enabled in GHC
441         with
442         the <option>-XNewQualifiedOperators</option><indexterm><primary><option>-XNewQualifiedOperators</option></primary></indexterm>
443         option.  In the new syntax, the prefix form of a qualified
444         operator is
445         written <literal><replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>
446         (in Haskell 98 this would
447         be <literal>(<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>),
448         and the infix form is
449         written <literal>`<replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)`</literal>
450         (in Haskell 98 this would
451         be <literal>`<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>`</literal>.
452         For example:
453 <programlisting>
454   add x y = Prelude.(+) x y
455   subtract y = (`Prelude.(-)` y)
456 </programlisting>
457         The new form of qualified operators is intended to regularise
458         the syntax by eliminating odd cases
459         like <literal>Prelude..</literal>.  For example,
460         when <literal>NewQualifiedOperators</literal> is on, it is possible to
461         write the enumerated sequence <literal>[Monday..]</literal>
462         without spaces, whereas in Haskell 98 this would be a
463         reference to the operator &lsquo;<literal>.</literal>&lsquo;
464         from module <literal>Monday</literal>.</para>
465
466       <para>When <option>-XNewQualifiedOperators</option> is on, the old Haskell
467         98 syntax for qualified operators is not accepted, so this
468         option may cause existing Haskell 98 code to break.</para>
469
470     </sect2>
471         
472
473     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
474
475
476     <sect2 id="hierarchical-modules">
477       <title>Hierarchical Modules</title>
478
479       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
480       names: a module name is allowed to contain a dot
481       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
482       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
483       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
484       more flexible hierarchy of modules.</para>
485
486       <para>This extension has very little impact on the language
487       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
488       qualified, so you can just think of the fully qualified module
489       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
490       means that the full module name must be given after the
491       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
492       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
493       begin</para>
494
495 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
496
497
498       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
499       keyword to save some typing when using qualified names with
500       hierarchical modules.  For example:</para>
501
502 <programlisting>
503 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
504 </programlisting>
505
506       <para>For details on how GHC searches for source and interface
507       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
508       linkend="search-path"/>.</para>
509
510       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
511       hierarchically; see the accompanying <ulink
512       url="../libraries/index.html">library
513       documentation</ulink>.  More libraries to install are available
514       from <ulink
515       url="http://hackage.haskell.org/packages/hackage.html">HackageDB</ulink>.</para>
516     </sect2>
517
518     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
519
520 <sect2 id="pattern-guards">
521 <title>Pattern guards</title>
522
523 <para>
524 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
525 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ulink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
526 </para>
527
528 <para>
529 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
530 lookup operation:
531
532 <programlisting>
533 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
534 </programlisting>
535
536 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
537 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
538 </para>
539
540 <programlisting>
541 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
542 | otherwise  = var1 + var2
543 where
544   m1 = lookup env var1
545   m2 = lookup env var2
546   ok1 = maybeToBool m1
547   ok2 = maybeToBool m2
548   val1 = expectJust m1
549   val2 = expectJust m2
550 </programlisting>
551
552 <para>
553 The auxiliary functions are 
554 </para>
555
556 <programlisting>
557 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
558 maybeToBool (Just x) = True
559 maybeToBool Nothing  = False
560
561 expectJust :: Maybe a -&gt; a
562 expectJust (Just x) = x
563 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
564 </programlisting>
565
566 <para>
567 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
568 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
569 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
570 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
571 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
572 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
573 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
574 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
575 </para>
576
577 <para>
578 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
579 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
580 to write clunky would be to use case expressions:
581 </para>
582
583 <programlisting>
584 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
585   Nothing -&gt; fail
586   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
587     Nothing -&gt; fail
588     Just val2 -&gt; val1 + val2
589 where
590   fail = var1 + var2
591 </programlisting>
592
593 <para>
594 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
595 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
596 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
597 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
598 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
599 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
600 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
601 tends to become more and more indented. 
602 </para>
603
604 <para>
605 Here is how I would write clunky:
606 </para>
607
608 <programlisting>
609 clunky env var1 var2
610   | Just val1 &lt;- lookup env var1
611   , Just val2 &lt;- lookup env var2
612   = val1 + val2
613 ...other equations for clunky...
614 </programlisting>
615
616 <para>
617 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
618 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
619 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
620 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
621 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
622 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
623 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
624 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
625 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
626 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
627 </para>
628
629 <para>
630 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
631 with among the pattern guards.  For example:
632 </para>
633
634 <programlisting>
635 f x | [y] &lt;- x
636     , y > 3
637     , Just z &lt;- h y
638     = ...
639 </programlisting>
640
641 <para>
642 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
643 qualifier list has just one element, a boolean expression.
644 </para>
645 </sect2>
646
647     <!-- ===================== View patterns ===================  -->
648
649 <sect2 id="view-patterns">
650 <title>View patterns
651 </title>
652
653 <para>
654 View patterns are enabled by the flag <literal>-XViewPatterns</literal>.
655 More information and examples of view patterns can be found on the
656 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/ViewPatterns">Wiki
657 page</ulink>.
658 </para>
659
660 <para>
661 View patterns are somewhat like pattern guards that can be nested inside
662 of other patterns.  They are a convenient way of pattern-matching
663 against values of abstract types. For example, in a programming language
664 implementation, we might represent the syntax of the types of the
665 language as follows:
666
667 <programlisting>
668 type Typ
669  
670 data TypView = Unit
671              | Arrow Typ Typ
672
673 view :: Type -> TypeView
674
675 -- additional operations for constructing Typ's ...
676 </programlisting>
677
678 The representation of Typ is held abstract, permitting implementations
679 to use a fancy representation (e.g., hash-consing to manage sharing).
680
681 Without view patterns, using this signature a little inconvenient: 
682 <programlisting>
683 size :: Typ -> Integer
684 size t = case view t of
685   Unit -> 1
686   Arrow t1 t2 -> size t1 + size t2
687 </programlisting>
688
689 It is necessary to iterate the case, rather than using an equational
690 function definition. And the situation is even worse when the matching
691 against <literal>t</literal> is buried deep inside another pattern.
692 </para>
693
694 <para>
695 View patterns permit calling the view function inside the pattern and
696 matching against the result: 
697 <programlisting>
698 size (view -> Unit) = 1
699 size (view -> Arrow t1 t2) = size t1 + size t2
700 </programlisting>
701
702 That is, we add a new form of pattern, written
703 <replaceable>expression</replaceable> <literal>-></literal>
704 <replaceable>pattern</replaceable> that means "apply the expression to
705 whatever we're trying to match against, and then match the result of
706 that application against the pattern". The expression can be any Haskell
707 expression of function type, and view patterns can be used wherever
708 patterns are used.
709 </para>
710
711 <para>
712 The semantics of a pattern <literal>(</literal>
713 <replaceable>exp</replaceable> <literal>-></literal>
714 <replaceable>pat</replaceable> <literal>)</literal> are as follows:
715
716 <itemizedlist>
717
718 <listitem> Scoping:
719
720 <para>The variables bound by the view pattern are the variables bound by
721 <replaceable>pat</replaceable>.
722 </para>
723
724 <para>
725 Any variables in <replaceable>exp</replaceable> are bound occurrences,
726 but variables bound "to the left" in a pattern are in scope.  This
727 feature permits, for example, one argument to a function to be used in
728 the view of another argument.  For example, the function
729 <literal>clunky</literal> from <xref linkend="pattern-guards" /> can be
730 written using view patterns as follows:
731
732 <programlisting>
733 clunky env (lookup env -> Just val1) (lookup env -> Just val2) = val1 + val2
734 ...other equations for clunky...
735 </programlisting>
736 </para>
737
738 <para>
739 More precisely, the scoping rules are: 
740 <itemizedlist>
741 <listitem>
742 <para>
743 In a single pattern, variables bound by patterns to the left of a view
744 pattern expression are in scope. For example:
745 <programlisting>
746 example :: Maybe ((String -> Integer,Integer), String) -> Bool
747 example Just ((f,_), f -> 4) = True
748 </programlisting>
749
750 Additionally, in function definitions, variables bound by matching earlier curried
751 arguments may be used in view pattern expressions in later arguments:
752 <programlisting>
753 example :: (String -> Integer) -> String -> Bool
754 example f (f -> 4) = True
755 </programlisting>
756 That is, the scoping is the same as it would be if the curried arguments
757 were collected into a tuple.  
758 </para>
759 </listitem>
760
761 <listitem>
762 <para>
763 In mutually recursive bindings, such as <literal>let</literal>,
764 <literal>where</literal>, or the top level, view patterns in one
765 declaration may not mention variables bound by other declarations.  That
766 is, each declaration must be self-contained.  For example, the following
767 program is not allowed:
768 <programlisting>
769 let {(x -> y) = e1 ;
770      (y -> x) = e2 } in x
771 </programlisting>
772
773 (We may lift this
774 restriction in the future; the only cost is that type checking patterns
775 would get a little more complicated.)  
776
777
778 </para>
779 </listitem>
780 </itemizedlist>
781
782 </para>
783 </listitem>
784
785 <listitem><para> Typing: If <replaceable>exp</replaceable> has type
786 <replaceable>T1</replaceable> <literal>-></literal>
787 <replaceable>T2</replaceable> and <replaceable>pat</replaceable> matches
788 a <replaceable>T2</replaceable>, then the whole view pattern matches a
789 <replaceable>T1</replaceable>.
790 </para></listitem>
791
792 <listitem><para> Matching: To the equations in Section 3.17.3 of the
793 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/">Haskell 98
794 Report</ulink>, add the following:
795 <programlisting>
796 case v of { (e -> p) -> e1 ; _ -> e2 } 
797  = 
798 case (e v) of { p -> e1 ; _ -> e2 }
799 </programlisting>
800 That is, to match a variable <replaceable>v</replaceable> against a pattern
801 <literal>(</literal> <replaceable>exp</replaceable>
802 <literal>-></literal> <replaceable>pat</replaceable>
803 <literal>)</literal>, evaluate <literal>(</literal>
804 <replaceable>exp</replaceable> <replaceable> v</replaceable>
805 <literal>)</literal> and match the result against
806 <replaceable>pat</replaceable>.  
807 </para></listitem>
808
809 <listitem><para> Efficiency: When the same view function is applied in
810 multiple branches of a function definition or a case expression (e.g.,
811 in <literal>size</literal> above), GHC makes an attempt to collect these
812 applications into a single nested case expression, so that the view
813 function is only applied once.  Pattern compilation in GHC follows the
814 matrix algorithm described in Chapter 4 of <ulink
815 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/slpj-book-1987/">The
816 Implementation of Functional Programming Languages</ulink>.  When the
817 top rows of the first column of a matrix are all view patterns with the
818 "same" expression, these patterns are transformed into a single nested
819 case.  This includes, for example, adjacent view patterns that line up
820 in a tuple, as in
821 <programlisting>
822 f ((view -> A, p1), p2) = e1
823 f ((view -> B, p3), p4) = e2
824 </programlisting>
825 </para>
826
827 <para> The current notion of when two view pattern expressions are "the
828 same" is very restricted: it is not even full syntactic equality.
829 However, it does include variables, literals, applications, and tuples;
830 e.g., two instances of <literal>view ("hi", "there")</literal> will be
831 collected.  However, the current implementation does not compare up to
832 alpha-equivalence, so two instances of <literal>(x, view x ->
833 y)</literal> will not be coalesced.
834 </para>
835
836 </listitem>
837
838 </itemizedlist>
839 </para>
840
841 </sect2>
842
843     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
844
845 <sect2 id="mdo-notation">
846 <title>The recursive do-notation
847 </title>
848
849 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
850 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>,
851 by Levent Erkok, John Launchbury,
852 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
853 This paper is essential reading for anyone making non-trivial use of mdo-notation,
854 and we do not repeat it here.
855 </para>
856 <para>
857 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
858 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
859 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
860 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
861 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
862 </para>
863 <para>
864 Here is a simple (yet contrived) example:
865 </para>
866 <programlisting>
867 import Control.Monad.Fix
868
869 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
870                return xs
871 </programlisting>
872 <para>
873 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
874 </para>
875
876 <para>
877 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class.  Its definition is:
878 </para>
879 <programlisting>
880 class Monad m => MonadFix m where
881    mfix :: (a -> m a) -> m a
882 </programlisting>
883 <para>
884 The function <literal>mfix</literal>
885 dictates how the required recursion operation should be performed.  For example, 
886 <literal>justOnes</literal> desugars as follows:
887 <programlisting>
888 justOnes = mfix (\xs' -&gt; do { xs &lt;- Just (1:xs'); return xs }
889 </programlisting>
890 For full details of the way in which mdo is typechecked and desugared, see 
891 the paper <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>.
892 In particular, GHC implements the segmentation technique described in Section 3.2 of the paper.
893 </para>
894 <para>
895 If recursive bindings are required for a monad,
896 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
897 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
898 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
899 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
900 </para>
901 <para>
902 Here are some important points in using the recursive-do notation:
903 <itemizedlist>
904 <listitem><para>
905 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
906 than <literal>do</literal>).
907 </para></listitem>
908
909 <listitem><para>
910 It is enabled with the flag <literal>-XRecursiveDo</literal>, which is in turn implied by
911 <literal>-fglasgow-exts</literal>.
912 </para></listitem>
913
914 <listitem><para>
915 Unlike ordinary do-notation, but like <literal>let</literal> and <literal>where</literal> bindings,
916 name shadowing is not allowed; that is, all the names bound in a single <literal>mdo</literal> must
917 be distinct (Section 3.3 of the paper).
918 </para></listitem>
919
920 <listitem><para>
921 Variables bound by a <literal>let</literal> statement in an <literal>mdo</literal>
922 are monomorphic in the <literal>mdo</literal> (Section 3.1 of the paper).  However
923 GHC breaks the <literal>mdo</literal> into segments to enhance polymorphism,
924 and improve termination (Section 3.2 of the paper).
925 </para></listitem>
926 </itemizedlist>
927 </para>
928
929 <para>
930 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
931 of the existing documents) used the name
932 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
933 This name is not supported by GHC.
934 </para>
935
936 </sect2>
937
938
939    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
940
941   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
942     <title>Parallel List Comprehensions</title>
943     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
944     </indexterm>
945     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
946     </indexterm>
947
948     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
949     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
950     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
951     extend this to include the zipWith family.</para>
952
953     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
954     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
955     example, the following zips together two lists:</para>
956
957 <programlisting>
958    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
959 </programlisting>
960
961     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
962     zip, in that the resulting list will have the same length as the
963     shortest branch.</para>
964
965     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
966     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
967
968     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
969
970 <programlisting>
971    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
972        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
973        ... 
974    ] 
975 </programlisting>
976
977     <para>This will be translated to: </para>
978
979 <programlisting>
980    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
981                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
982                                          ... 
983    ] 
984 </programlisting>
985
986     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
987     branches.</para>
988
989   </sect2>
990   
991   <!-- ===================== TRANSFORM LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
992
993   <sect2 id="generalised-list-comprehensions">
994     <title>Generalised (SQL-Like) List Comprehensions</title>
995     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>generalised</secondary>
996     </indexterm>
997     <indexterm><primary>extended list comprehensions</primary>
998     </indexterm>
999     <indexterm><primary>group</primary></indexterm>
1000     <indexterm><primary>sql</primary></indexterm>
1001
1002
1003     <para>Generalised list comprehensions are a further enhancement to the
1004     list comprehension syntactic sugar to allow operations such as sorting
1005     and grouping which are familiar from SQL.   They are fully described in the
1006         paper <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/list-comp">
1007           Comprehensive comprehensions: comprehensions with "order by" and "group by"</ulink>,
1008     except that the syntax we use differs slightly from the paper.</para>
1009 <para>The extension is enabled with the flag <option>-XTransformListComp</option>.</para>
1010 <para>Here is an example: 
1011 <programlisting>
1012 employees = [ ("Simon", "MS", 80)
1013 , ("Erik", "MS", 100)
1014 , ("Phil", "Ed", 40)
1015 , ("Gordon", "Ed", 45)
1016 , ("Paul", "Yale", 60)]
1017
1018 output = [ (the dept, sum salary)
1019 | (name, dept, salary) &lt;- employees
1020 , then group by dept
1021 , then sortWith by (sum salary)
1022 , then take 5 ]
1023 </programlisting>
1024 In this example, the list <literal>output</literal> would take on 
1025     the value:
1026     
1027 <programlisting>
1028 [("Yale", 60), ("Ed", 85), ("MS", 180)]
1029 </programlisting>
1030 </para>
1031 <para>There are three new keywords: <literal>group</literal>, <literal>by</literal>, and <literal>using</literal>.
1032 (The function <literal>sortWith</literal> is not a keyword; it is an ordinary
1033 function that is exported by <literal>GHC.Exts</literal>.)</para>
1034
1035 <para>There are five new forms of comprehension qualifier,
1036 all introduced by the (existing) keyword <literal>then</literal>:
1037     <itemizedlist>
1038     <listitem>
1039     
1040 <programlisting>
1041 then f
1042 </programlisting>
1043
1044     This statement requires that <literal>f</literal> have the type <literal>
1045     forall a. [a] -> [a]</literal>. You can see an example of its use in the
1046     motivating example, as this form is used to apply <literal>take 5</literal>.
1047     
1048     </listitem>
1049     
1050     
1051     <listitem>
1052 <para>
1053 <programlisting>
1054 then f by e
1055 </programlisting>
1056
1057     This form is similar to the previous one, but allows you to create a function
1058     which will be passed as the first argument to f. As a consequence f must have 
1059     the type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [a]</literal>. As you can see
1060     from the type, this function lets f &quot;project out&quot; some information 
1061     from the elements of the list it is transforming.</para>
1062
1063     <para>An example is shown in the opening example, where <literal>sortWith</literal> 
1064     is supplied with a function that lets it find out the <literal>sum salary</literal> 
1065     for any item in the list comprehension it transforms.</para>
1066
1067     </listitem>
1068
1069
1070     <listitem>
1071
1072 <programlisting>
1073 then group by e using f
1074 </programlisting>
1075
1076     <para>This is the most general of the grouping-type statements. In this form,
1077     f is required to have type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [[a]]</literal>.
1078     As with the <literal>then f by e</literal> case above, the first argument
1079     is a function supplied to f by the compiler which lets it compute e on every
1080     element of the list being transformed. However, unlike the non-grouping case,
1081     f additionally partitions the list into a number of sublists: this means that
1082     at every point after this statement, binders occurring before it in the comprehension
1083     refer to <emphasis>lists</emphasis> of possible values, not single values. To help understand
1084     this, let's look at an example:</para>
1085     
1086 <programlisting>
1087 -- This works similarly to groupWith in GHC.Exts, but doesn't sort its input first
1088 groupRuns :: Eq b => (a -> b) -> [a] -> [[a]]
1089 groupRuns f = groupBy (\x y -> f x == f y)
1090
1091 output = [ (the x, y)
1092 | x &lt;- ([1..3] ++ [1..2])
1093 , y &lt;- [4..6]
1094 , then group by x using groupRuns ]
1095 </programlisting>
1096
1097     <para>This results in the variable <literal>output</literal> taking on the value below:</para>
1098
1099 <programlisting>
1100 [(1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6]), (3, [4, 5, 6]), (1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6])]
1101 </programlisting>
1102
1103     <para>Note that we have used the <literal>the</literal> function to change the type 
1104     of x from a list to its original numeric type. The variable y, in contrast, is left 
1105     unchanged from the list form introduced by the grouping.</para>
1106
1107     </listitem>
1108
1109     <listitem>
1110
1111 <programlisting>
1112 then group by e
1113 </programlisting>
1114
1115     <para>This form of grouping is essentially the same as the one described above. However,
1116     since no function to use for the grouping has been supplied it will fall back on the
1117     <literal>groupWith</literal> function defined in 
1118     <ulink url="../libraries/base/GHC-Exts.html"><literal>GHC.Exts</literal></ulink>. This
1119     is the form of the group statement that we made use of in the opening example.</para>
1120
1121     </listitem>
1122     
1123     
1124     <listitem>
1125
1126 <programlisting>
1127 then group using f
1128 </programlisting>
1129
1130     <para>With this form of the group statement, f is required to simply have the type
1131     <literal>forall a. [a] -> [[a]]</literal>, which will be used to group up the
1132     comprehension so far directly. An example of this form is as follows:</para>
1133     
1134 <programlisting>
1135 output = [ x
1136 | y &lt;- [1..5]
1137 , x &lt;- "hello"
1138 , then group using inits]
1139 </programlisting>
1140
1141     <para>This will yield a list containing every prefix of the word "hello" written out 5 times:</para>
1142
1143 <programlisting>
1144 ["","h","he","hel","hell","hello","helloh","hellohe","hellohel","hellohell","hellohello","hellohelloh",...]
1145 </programlisting>
1146
1147     </listitem>
1148 </itemizedlist>
1149 </para>
1150   </sect2>
1151
1152    <!-- ===================== REBINDABLE SYNTAX ===================  -->
1153
1154 <sect2 id="rebindable-syntax">
1155 <title>Rebindable syntax and the implicit Prelude import</title>
1156
1157  <para><indexterm><primary>-XNoImplicitPrelude
1158  option</primary></indexterm> GHC normally imports
1159  <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
1160  rather it didn't, then give it a
1161  <option>-XNoImplicitPrelude</option> option.  The idea is
1162  that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
1163  call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
1164  namespace is flat, and you must not conflict with any
1165  Prelude module.)</para>
1166
1167             <para>Suppose you are importing a Prelude of your own
1168               in order to define your own numeric class
1169             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
1170             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
1171             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
1172             So the <option>-XNoImplicitPrelude</option> 
1173               flag <emphasis>also</emphasis> causes
1174             the following pieces of built-in syntax to refer to
1175             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
1176             versions:
1177             <itemizedlist>
1178               <listitem>
1179                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
1180                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
1181                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
1182 </para> </listitem>         
1183
1184       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
1185           except that the translation is 
1186               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
1187 </para> </listitem>         
1188
1189           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
1190               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
1191 </para> </listitem>         
1192
1193           <listitem><para>The subtraction operation, and the
1194           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
1195               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
1196               </para></listitem>
1197
1198               <listitem>
1199                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
1200                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
1201                 patterns, and expressions.
1202               </para></listitem>
1203
1204               <listitem>
1205           <para>"Do" notation is translated using whatever
1206               functions <literal>(>>=)</literal>,
1207               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
1208               are in scope (not the Prelude
1209               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
1210               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
1211
1212               <listitem>
1213                 <para>Arrow
1214                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
1215                 uses whatever <literal>arr</literal>,
1216                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
1217                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
1218                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
1219                 other constructs, the types of these functions must match the
1220                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
1221                 to use this, ask!
1222               </para></listitem>
1223             </itemizedlist>
1224 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
1225 even if that is a little unexpected. For example, the 
1226 static semantics of the literal <literal>368</literal>
1227 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
1228 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
1229 <programlisting>
1230 fromInteger :: Integer -> Integer
1231 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
1232 fromInteger :: Num a => a -> Integer
1233 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
1234 </programlisting>
1235 </para>
1236                 
1237              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
1238              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
1239              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
1240              you should be all right.</para>
1241
1242 </sect2>
1243
1244 <sect2 id="postfix-operators">
1245 <title>Postfix operators</title>
1246
1247 <para>
1248   The <option>-XPostfixOperators</option> flag enables a small
1249 extension to the syntax of left operator sections, which allows you to
1250 define postfix operators.  The extension is this: the left section
1251 <programlisting>
1252   (e !)
1253 </programlisting>
1254 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
1255 <programlisting>
1256   ((!) e)
1257 </programlisting>
1258 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
1259 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
1260 <programlisting>
1261   (\y -> (!) e y)
1262 </programlisting>
1263 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
1264 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
1265 postfix.
1266 </para>
1267 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
1268 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
1269
1270 </sect2>
1271
1272 <sect2 id="tuple-sections">
1273 <title>Tuple sections</title>
1274
1275 <para>
1276   The <option>-XTupleSections</option> flag enables Python-style partially applied
1277   tuple constructors. For example, the following program
1278 <programlisting>
1279   (, True)
1280 </programlisting>
1281   is considered to be an alternative notation for the more unwieldy alternative
1282 <programlisting>
1283   \x -> (x, True)
1284 </programlisting>
1285 You can omit any combination of arguments to the tuple, as in the following
1286 <programlisting>
1287   (, "I", , , "Love", , 1337)
1288 </programlisting>
1289 which translates to
1290 <programlisting>
1291   \a b c d -> (a, "I", b, c, "Love", d, 1337)
1292 </programlisting>
1293 </para>
1294
1295 <para>
1296   If you have <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link> enabled, tuple sections
1297   will also be available for them, like so
1298 <programlisting>
1299   (# , True #)
1300 </programlisting>
1301 Because there is no unboxed unit tuple, the following expression
1302 <programlisting>
1303   (# #)
1304 </programlisting>
1305 continues to stand for the unboxed singleton tuple data constructor.
1306 </para>
1307
1308 </sect2>
1309
1310 <sect2 id="disambiguate-fields">
1311 <title>Record field disambiguation</title>
1312 <para>
1313 In record construction and record pattern matching
1314 it is entirely unambiguous which field is referred to, even if there are two different
1315 data types in scope with a common field name.  For example:
1316 <programlisting>
1317 module M where
1318   data S = MkS { x :: Int, y :: Bool }
1319
1320 module Foo where
1321   import M
1322
1323   data T = MkT { x :: Int }
1324   
1325   ok1 (MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1326
1327   ok2 n = MkT { x = n+1 }     -- Unambiguous
1328
1329   bad1 k = k { x = 3 }  -- Ambiguous
1330   bad2 k = x k          -- Ambiguous
1331 </programlisting>
1332 Even though there are two <literal>x</literal>'s in scope,
1333 it is clear that the <literal>x</literal> in the pattern in the
1334 definition of <literal>ok1</literal> can only mean the field
1335 <literal>x</literal> from type <literal>S</literal>. Similarly for
1336 the function <literal>ok2</literal>.  However, in the record update
1337 in <literal>bad1</literal> and the record selection in <literal>bad2</literal>
1338 it is not clear which of the two types is intended.
1339 </para>
1340 <para>
1341 Haskell 98 regards all four as ambiguous, but with the
1342 <option>-XDisambiguateRecordFields</option> flag, GHC will accept
1343 the former two.  The rules are precisely the same as those for instance
1344 declarations in Haskell 98, where the method names on the left-hand side 
1345 of the method bindings in an instance declaration refer unambiguously
1346 to the method of that class (provided they are in scope at all), even
1347 if there are other variables in scope with the same name.
1348 This reduces the clutter of qualified names when you import two
1349 records from different modules that use the same field name.
1350 </para>
1351 </sect2>
1352
1353     <!-- ===================== Record puns ===================  -->
1354
1355 <sect2 id="record-puns">
1356 <title>Record puns
1357 </title>
1358
1359 <para>
1360 Record puns are enabled by the flag <literal>-XNamedFieldPuns</literal>.
1361 </para>
1362
1363 <para>
1364 When using records, it is common to write a pattern that binds a
1365 variable with the same name as a record field, such as:
1366
1367 <programlisting>
1368 data C = C {a :: Int}
1369 f (C {a = a}) = a
1370 </programlisting>
1371 </para>
1372
1373 <para>
1374 Record punning permits the variable name to be elided, so one can simply
1375 write
1376
1377 <programlisting>
1378 f (C {a}) = a
1379 </programlisting>
1380
1381 to mean the same pattern as above.  That is, in a record pattern, the
1382 pattern <literal>a</literal> expands into the pattern <literal>a =
1383 a</literal> for the same name <literal>a</literal>.  
1384 </para>
1385
1386 <para>
1387 Note that puns and other patterns can be mixed in the same record:
1388 <programlisting>
1389 data C = C {a :: Int, b :: Int}
1390 f (C {a, b = 4}) = a
1391 </programlisting>
1392 and that puns can be used wherever record patterns occur (e.g. in
1393 <literal>let</literal> bindings or at the top-level).  
1394 </para>
1395
1396 <para>
1397 Record punning can also be used in an expression, writing, for example,
1398 <programlisting>
1399 let a = 1 in C {a}
1400 </programlisting>
1401 instead of 
1402 <programlisting>
1403 let a = 1 in C {a = a}
1404 </programlisting>
1405
1406 Note that this expansion is purely syntactic, so the record pun
1407 expression refers to the nearest enclosing variable that is spelled the
1408 same as the field name.
1409 </para>
1410
1411 </sect2>
1412
1413     <!-- ===================== Record wildcards ===================  -->
1414
1415 <sect2 id="record-wildcards">
1416 <title>Record wildcards
1417 </title>
1418
1419 <para>
1420 Record wildcards are enabled by the flag <literal>-XRecordWildCards</literal>.
1421 </para>
1422
1423 <para>
1424 For records with many fields, it can be tiresome to write out each field
1425 individually in a record pattern, as in
1426 <programlisting>
1427 data C = C {a :: Int, b :: Int, c :: Int, d :: Int}
1428 f (C {a = 1, b = b, c = c, d = d}) = b + c + d
1429 </programlisting>
1430 </para>
1431
1432 <para>
1433 Record wildcard syntax permits a (<literal>..</literal>) in a record
1434 pattern, where each elided field <literal>f</literal> is replaced by the
1435 pattern <literal>f = f</literal>.  For example, the above pattern can be
1436 written as
1437 <programlisting>
1438 f (C {a = 1, ..}) = b + c + d
1439 </programlisting>
1440 </para>
1441
1442 <para>
1443 Note that wildcards can be mixed with other patterns, including puns
1444 (<xref linkend="record-puns"/>); for example, in a pattern <literal>C {a
1445 = 1, b, ..})</literal>.  Additionally, record wildcards can be used
1446 wherever record patterns occur, including in <literal>let</literal>
1447 bindings and at the top-level.  For example, the top-level binding
1448 <programlisting>
1449 C {a = 1, ..} = e
1450 </programlisting>
1451 defines <literal>b</literal>, <literal>c</literal>, and
1452 <literal>d</literal>.
1453 </para>
1454
1455 <para>
1456 Record wildcards can also be used in expressions, writing, for example,
1457
1458 <programlisting>
1459 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {..}
1460 </programlisting>
1461
1462 in place of
1463
1464 <programlisting>
1465 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {a=a, b=b, c=c, d=d}
1466 </programlisting>
1467
1468 Note that this expansion is purely syntactic, so the record wildcard
1469 expression refers to the nearest enclosing variables that are spelled
1470 the same as the omitted field names.
1471 </para>
1472
1473 </sect2>
1474
1475     <!-- ===================== Local fixity declarations ===================  -->
1476
1477 <sect2 id="local-fixity-declarations">
1478 <title>Local Fixity Declarations
1479 </title>
1480
1481 <para>A careful reading of the Haskell 98 Report reveals that fixity
1482 declarations (<literal>infix</literal>, <literal>infixl</literal>, and
1483 <literal>infixr</literal>) are permitted to appear inside local bindings
1484 such those introduced by <literal>let</literal> and
1485 <literal>where</literal>.  However, the Haskell Report does not specify
1486 the semantics of such bindings very precisely.
1487 </para>
1488
1489 <para>In GHC, a fixity declaration may accompany a local binding:
1490 <programlisting>
1491 let f = ...
1492     infixr 3 `f`
1493 in 
1494     ...
1495 </programlisting>
1496 and the fixity declaration applies wherever the binding is in scope.
1497 For example, in a <literal>let</literal>, it applies in the right-hand
1498 sides of other <literal>let</literal>-bindings and the body of the
1499 <literal>let</literal>C. Or, in recursive <literal>do</literal>
1500 expressions (<xref linkend="mdo-notation"/>), the local fixity
1501 declarations of a <literal>let</literal> statement scope over other
1502 statements in the group, just as the bound name does.
1503 </para>
1504
1505 <para>
1506 Moreover, a local fixity declaration *must* accompany a local binding of
1507 that name: it is not possible to revise the fixity of name bound
1508 elsewhere, as in
1509 <programlisting>
1510 let infixr 9 $ in ...
1511 </programlisting>
1512
1513 Because local fixity declarations are technically Haskell 98, no flag is
1514 necessary to enable them.
1515 </para>
1516 </sect2>
1517
1518 <sect2 id="package-imports">
1519   <title>Package-qualified imports</title>
1520
1521   <para>With the <option>-XPackageImports</option> flag, GHC allows
1522   import declarations to be qualified by the package name that the
1523     module is intended to be imported from.  For example:</para>
1524
1525 <programlisting>
1526 import "network" Network.Socket
1527 </programlisting>
1528   
1529   <para>would import the module <literal>Network.Socket</literal> from
1530     the package <literal>network</literal> (any version).  This may
1531     be used to disambiguate an import when the same module is
1532     available from multiple packages, or is present in both the
1533     current package being built and an external package.</para>
1534
1535   <para>Note: you probably don't need to use this feature, it was
1536     added mainly so that we can build backwards-compatible versions of
1537     packages when APIs change.  It can lead to fragile dependencies in
1538     the common case: modules occasionally move from one package to
1539     another, rendering any package-qualified imports broken.</para>
1540 </sect2>
1541
1542 <sect2 id="syntax-stolen">
1543 <title>Summary of stolen syntax</title>
1544
1545     <para>Turning on an option that enables special syntax
1546     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
1547     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
1548     become a reserved word.  This section lists the syntax that is
1549     "stolen" by language extensions.
1550      We use
1551     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
1552     (see the Haskell 98 Report).  
1553     We only list syntax changes here that might affect
1554     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
1555     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
1556     cases programs written to use the new syntax would not be
1557     compilable without the option enabled.</para>
1558
1559 <para>There are two classes of special
1560     syntax:
1561
1562     <itemizedlist>
1563       <listitem>
1564         <para>New reserved words and symbols: character sequences
1565         which are no longer available for use as identifiers in the
1566         program.</para>
1567       </listitem>
1568       <listitem>
1569         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
1570         a different meaning when this particular option is turned
1571         on.</para>
1572       </listitem>
1573     </itemizedlist>
1574     
1575 The following syntax is stolen:
1576
1577     <variablelist>
1578       <varlistentry>
1579         <term>
1580           <literal>forall</literal>
1581           <indexterm><primary><literal>forall</literal></primary></indexterm>
1582         </term>
1583         <listitem><para>
1584         Stolen (in types) by: <option>-XScopedTypeVariables</option>,
1585             <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
1586             <option>-XRank2Types</option>,
1587             <option>-XRankNTypes</option>,
1588             <option>-XPolymorphicComponents</option>,
1589             <option>-XExistentialQuantification</option>
1590           </para></listitem>
1591       </varlistentry>
1592
1593       <varlistentry>
1594         <term>
1595           <literal>mdo</literal>
1596           <indexterm><primary><literal>mdo</literal></primary></indexterm>
1597         </term>
1598         <listitem><para>
1599         Stolen by: <option>-XRecursiveDo</option>,
1600           </para></listitem>
1601       </varlistentry>
1602
1603       <varlistentry>
1604         <term>
1605           <literal>foreign</literal>
1606           <indexterm><primary><literal>foreign</literal></primary></indexterm>
1607         </term>
1608         <listitem><para>
1609         Stolen by: <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
1610           </para></listitem>
1611       </varlistentry>
1612
1613       <varlistentry>
1614         <term>
1615           <literal>rec</literal>,
1616           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
1617           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
1618           <literal>&gt;&gt;-</literal>, and <literal>(|</literal>,
1619           <literal>|)</literal> brackets
1620           <indexterm><primary><literal>proc</literal></primary></indexterm>
1621         </term>
1622         <listitem><para>
1623         Stolen by: <option>-XArrows</option>,
1624           </para></listitem>
1625       </varlistentry>
1626
1627       <varlistentry>
1628         <term>
1629           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
1630           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>
1631           <indexterm><primary>implicit parameters</primary></indexterm>
1632         </term>
1633         <listitem><para>
1634         Stolen by: <option>-XImplicitParams</option>,
1635           </para></listitem>
1636       </varlistentry>
1637
1638       <varlistentry>
1639         <term>
1640           <literal>[|</literal>,
1641           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
1642           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
1643           <literal>$(</literal>,
1644           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>
1645           <indexterm><primary>Template Haskell</primary></indexterm>
1646         </term>
1647         <listitem><para>
1648         Stolen by: <option>-XTemplateHaskell</option>,
1649           </para></listitem>
1650       </varlistentry>
1651
1652       <varlistentry>
1653         <term>
1654           <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>|</literal>
1655           <indexterm><primary>quasi-quotation</primary></indexterm>
1656         </term>
1657         <listitem><para>
1658         Stolen by: <option>-XQuasiQuotes</option>,
1659           </para></listitem>
1660       </varlistentry>
1661
1662       <varlistentry>
1663         <term>
1664               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
1665               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
1666               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1667               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1668               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1669               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
1670               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
1671         </term>
1672         <listitem><para>
1673         Stolen by: <option>-XMagicHash</option>,
1674           </para></listitem>
1675       </varlistentry>
1676     </variablelist>
1677 </para>
1678 </sect2>
1679 </sect1>
1680
1681
1682 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
1683 <sect1 id="data-type-extensions">
1684 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
1685
1686 <sect2 id="nullary-types">
1687 <title>Data types with no constructors</title>
1688
1689 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
1690 a data type with no constructors.  For example:</para>
1691
1692 <programlisting>
1693   data S      -- S :: *
1694   data T a    -- T :: * -> *
1695 </programlisting>
1696
1697 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
1698 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
1699 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
1700 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
1701
1702 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
1703 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
1704 </sect2>
1705
1706 <sect2 id="infix-tycons">
1707 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
1708
1709 <para>
1710 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
1711 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
1712 <itemizedlist>
1713 <listitem><para>
1714   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
1715   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
1716   </para></listitem>
1717 <listitem><para>
1718   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
1719   if you want further arguments.  E.g.
1720 <screen>
1721   data a :*: b = Foo a b
1722   type a :+: b = Either a b
1723   class a :=: b where ...
1724
1725   data (a :**: b) x = Baz a b x
1726   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
1727 </screen>
1728   </para></listitem>
1729 <listitem><para>
1730   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
1731   <screen>
1732         x :: Int :*: Bool
1733         f :: (a :=: b) => a -> b
1734   </screen>
1735   </para></listitem>
1736 <listitem><para>
1737   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1738   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1739   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1740   parenthesised.  For example:
1741 <programlisting>
1742    type T (+) = Int + Int
1743    f :: T Either
1744    f = Left 3
1745  
1746    liftA2 :: Arrow (~>)
1747           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1748    liftA2 = ...
1749 </programlisting>
1750   </para></listitem>
1751 <listitem><para>
1752   Back-quotes work
1753   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1754   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1755   </para></listitem>
1756 <listitem><para>
1757   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1758   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1759   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1760 <screen>
1761   infixl 7 T, :*:
1762 </screen>
1763   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1764   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1765   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1766   </para></listitem>
1767 <listitem><para>
1768   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1769   </para></listitem>
1770
1771 </itemizedlist>
1772 </para>
1773 </sect2>
1774
1775 <sect2 id="type-synonyms">
1776 <title>Liberalised type synonyms</title>
1777
1778 <para>
1779 Type synonyms are like macros at the type level, but Haskell 98 imposes many rules
1780 on individual synonym declarations.
1781 With the <option>-XLiberalTypeSynonyms</option> extension,
1782 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1783 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98. 
1784
1785 <itemizedlist>
1786 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1787 in a type synonym, thus:
1788 <programlisting>
1789   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1790
1791   f :: Discard a
1792   f x y = (x, show y)
1793
1794   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1795   g f = f 3 True
1796 </programlisting>
1797 </para>
1798 </listitem>
1799
1800 <listitem><para>
1801 If you also use <option>-XUnboxedTuples</option>, 
1802 you can write an unboxed tuple in a type synonym:
1803 <programlisting>
1804   type Pr = (# Int, Int #)
1805
1806   h :: Int -> Pr
1807   h x = (# x, x #)
1808 </programlisting>
1809 </para></listitem>
1810
1811 <listitem><para>
1812 You can apply a type synonym to a forall type:
1813 <programlisting>
1814   type Foo a = a -> a -> Bool
1815  
1816   f :: Foo (forall b. b->b)
1817 </programlisting>
1818 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1819 <programlisting>
1820   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1821 </programlisting>
1822 </para></listitem>
1823
1824 <listitem><para>
1825 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1826 <programlisting>
1827   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1828   type Id x = x
1829   
1830   foo :: Generic Id []
1831 </programlisting>
1832 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1833 <programlisting>
1834   foo :: forall x. x -> [x]
1835 </programlisting>
1836 </para></listitem>
1837
1838 </itemizedlist>
1839 </para>
1840
1841 <para>
1842 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1843 could be changed.)
1844 </para>
1845 <para>
1846 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1847 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1848 <itemizedlist>
1849 <listitem><para>
1850 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1851 </para></listitem>
1852 <listitem><para>
1853 Unboxed tuple on left of an arrow.
1854 </para></listitem>
1855 <listitem><para>
1856 Partially-applied type synonym.
1857 </para></listitem>
1858 </itemizedlist>
1859 So, for example,
1860 this will be rejected:
1861 <programlisting>
1862   type Pr = (# Int, Int #)
1863
1864   h :: Pr -> Int
1865   h x = ...
1866 </programlisting>
1867 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1868 </para>
1869 </sect2>
1870
1871
1872 <sect2 id="existential-quantification">
1873 <title>Existentially quantified data constructors
1874 </title>
1875
1876 <para>
1877 The idea of using existential quantification in data type declarations
1878 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1879 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1880 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1881 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1882 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1883 It's been in Lennart
1884 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1885 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1886 </para>
1887
1888 <para>
1889
1890 <programlisting>
1891   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1892            | Nil
1893 </programlisting>
1894
1895 </para>
1896
1897 <para>
1898 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1899 </para>
1900
1901 <para>
1902
1903 <programlisting>
1904   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1905   Nil   :: Foo
1906 </programlisting>
1907
1908 </para>
1909
1910 <para>
1911 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1912 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1913 For example, the following expression is fine:
1914 </para>
1915
1916 <para>
1917
1918 <programlisting>
1919   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1920 </programlisting>
1921
1922 </para>
1923
1924 <para>
1925 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1926 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1927 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1928 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1929 </para>
1930
1931 <para>
1932 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1933 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1934 </para>
1935
1936 <para>
1937
1938 <programlisting>
1939   f (MkFoo val fn) = ???
1940 </programlisting>
1941
1942 </para>
1943
1944 <para>
1945 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1946 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1947 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1948 </para>
1949
1950 <para>
1951
1952 <programlisting>
1953   f :: Foo -> Bool
1954   f (MkFoo val fn) = fn val
1955 </programlisting>
1956
1957 </para>
1958
1959 <para>
1960 What this allows us to do is to package heterogeneous values
1961 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1962 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1963 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1964 </para>
1965
1966 <sect3 id="existential">
1967 <title>Why existential?
1968 </title>
1969
1970 <para>
1971 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1972 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1973 </para>
1974
1975 <para>
1976
1977 <programlisting>
1978   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1979 </programlisting>
1980
1981 </para>
1982
1983 <para>
1984 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1985 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1986 adding a new existential quantification construct.
1987 </para>
1988
1989 </sect3>
1990
1991 <sect3 id="existential-with-context">
1992 <title>Existentials and type classes</title>
1993
1994 <para>
1995 An easy extension is to allow
1996 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1997 </para>
1998
1999 <para>
2000
2001 <programlisting>
2002 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2003          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2004 </programlisting>
2005
2006 </para>
2007
2008 <para>
2009 The two constructors have the types you'd expect:
2010 </para>
2011
2012 <para>
2013
2014 <programlisting>
2015 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2016 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2017 </programlisting>
2018
2019 </para>
2020
2021 <para>
2022 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2023 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2024 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2025 So this program is legal:
2026 </para>
2027
2028 <para>
2029
2030 <programlisting>
2031   f :: Baz -> String
2032   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2033                | otherwise = "No"
2034   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2035 </programlisting>
2036
2037 </para>
2038
2039 <para>
2040 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2041 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2042 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2043 extract it on pattern matching.
2044 </para>
2045
2046 </sect3>
2047
2048 <sect3 id="existential-records">
2049 <title>Record Constructors</title>
2050
2051 <para>
2052 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
2053
2054 <programlisting>
2055 data Counter a = forall self. NewCounter
2056     { _this    :: self
2057     , _inc     :: self -> self
2058     , _display :: self -> IO ()
2059     , tag      :: a
2060     }
2061 </programlisting>
2062 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
2063 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
2064 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
2065 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
2066 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
2067 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
2068 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
2069 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
2070 </para>
2071
2072 <para>
2073 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
2074
2075 <programlisting>
2076 inc :: Counter a -> Counter a
2077 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
2078     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
2079
2080 display :: Counter a -> IO ()
2081 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
2082 </programlisting>
2083
2084 Now we can define counters with different underlying implementations:
2085
2086 <programlisting>
2087 counterA :: Counter String 
2088 counterA = NewCounter
2089     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
2090
2091 counterB :: Counter String 
2092 counterB = NewCounter
2093     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
2094
2095 main = do
2096     display (inc counterA)         -- prints "1"
2097     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
2098 </programlisting>
2099
2100 Record update syntax is supported for existentials (and GADTs):
2101 <programlisting>
2102 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
2103 setTag obj t = obj{ tag = t }
2104 </programlisting>
2105 The rule for record update is this: <emphasis>
2106 the types of the updated fields may
2107 mention only the universally-quantified type variables
2108 of the data constructor.  For GADTs, the field may mention only types
2109 that appear as a simple type-variable argument in the constructor's result
2110 type</emphasis>.  For example:
2111 <programlisting>
2112 data T a b where { T1 { f1::a, f2::b, f3::(b,c) } :: T a b } -- c is existential
2113 upd1 t x = t { f1=x }   -- OK:   upd1 :: T a b -> a' -> T a' b
2114 upd2 t x = t { f3=x }   -- BAD   (f3's type mentions c, which is
2115                         --        existentially quantified)
2116
2117 data G a b where { G1 { g1::a, g2::c } :: G a [c] }
2118 upd3 g x = g { g1=x }   -- OK:   upd3 :: G a b -> c -> G c b
2119 upd4 g x = g { g2=x }   -- BAD (f2's type mentions c, which is not a simple
2120                         --      type-variable argument in G1's result type)
2121 </programlisting>
2122 </para>
2123
2124 </sect3>
2125
2126
2127 <sect3>
2128 <title>Restrictions</title>
2129
2130 <para>
2131 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2132 constructors can be use.
2133 </para>
2134
2135 <para>
2136
2137 <itemizedlist>
2138 <listitem>
2139
2140 <para>
2141  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2142 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2143 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2144 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2145
2146
2147 <programlisting>
2148 f1 (MkFoo a f) = a
2149 </programlisting>
2150
2151
2152 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2153 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2154 ask what type <function>f1</function> has:
2155
2156
2157 <programlisting>
2158   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2159 </programlisting>
2160
2161
2162 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2163 this:
2164
2165
2166 <programlisting>
2167   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2168 </programlisting>
2169
2170
2171 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2172
2173
2174 <programlisting>
2175   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2176 </programlisting>
2177
2178
2179 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2180 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2181 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2182
2183
2184 </para>
2185 </listitem>
2186 <listitem>
2187
2188 <para>
2189 You can't pattern-match on an existentially quantified
2190 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2191 bindings. So this is illegal:
2192
2193
2194 <programlisting>
2195   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2196 </programlisting>
2197
2198 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2199
2200 <programlisting>
2201   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2202 </programlisting>
2203
2204 In general, you can only pattern-match
2205 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2206 in the patterns of a function definition.
2207
2208 The reason for this restriction is really an implementation one.
2209 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2210 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2211 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2212 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2213 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2214 annoying it is.
2215
2216 </para>
2217 </listitem>
2218 <listitem>
2219
2220 <para>
2221 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2222 declarations.  So this is illegal:
2223
2224
2225 <programlisting>
2226   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2227 </programlisting>
2228
2229
2230 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
2231 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
2232 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
2233 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
2234 You can get just the same efficiency and effect by using
2235 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
2236 there is no overloading involved, then there is more of a case for
2237 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
2238 because the <literal>data</literal> version does carry an
2239 implementation cost, but single-field existentially quantified
2240 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
2241 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
2242 are convincing reasons to change it.
2243
2244
2245 </para>
2246 </listitem>
2247 <listitem>
2248
2249 <para>
2250  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2251 data type with existentially quantified data constructors.
2252
2253 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
2254
2255 <programlisting>
2256 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2257 </programlisting>
2258
2259 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2260 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2261
2262 <programlisting>
2263 instance Eq T where
2264   (MkT a) == (MkT b) = ???
2265 </programlisting>
2266
2267 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
2268 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2269 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2270 declarations.  Define your own instances!
2271 </para>
2272 </listitem>
2273
2274 </itemizedlist>
2275
2276 </para>
2277
2278 </sect3>
2279 </sect2>
2280
2281 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
2282
2283 <sect2 id="gadt-style">
2284 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
2285
2286 <para>GHC allows you to declare an algebraic data type by 
2287 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
2288 <programlisting>
2289   data Maybe a where
2290       Nothing :: Maybe a
2291       Just    :: a -> Maybe a
2292 </programlisting>
2293 The form is called a "GADT-style declaration"
2294 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
2295 can only be declared using this form.</para>
2296 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
2297 For example, these two declarations are equivalent:
2298 <programlisting>
2299   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2300   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
2301 </programlisting>
2302 </para>
2303 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
2304 can also be declared using GADT-style syntax.
2305 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
2306 they treat class constraints on the data constructors differently.
2307 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
2308 context is made available by pattern matching.  For example:
2309 <programlisting>
2310   data Set a where
2311     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
2312
2313   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
2314   makeSet xs = MkSet (nub xs)
2315
2316   insert :: a -> Set a -> Set a
2317   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
2318                       | otherwise   = MkSet (a:as)
2319 </programlisting>
2320 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
2321 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
2322 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
2323 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
2324 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
2325 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
2326 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
2327 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
2328 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
2329 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
2330 </para>
2331 <para>
2332 For example, one possible application is to reify dictionaries:
2333 <programlisting>
2334    data NumInst a where
2335      MkNumInst :: Num a => NumInst a
2336
2337    intInst :: NumInst Int
2338    intInst = MkNumInst
2339
2340    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
2341    plus MkNumInst p q = p + q
2342 </programlisting>
2343 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
2344 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
2345 </para>
2346 <para>
2347 All this applies to constructors declared using the syntax of <xref linkend="existential-with-context"/>.
2348 For example, the <literal>NumInst</literal> data type above could equivalently be declared 
2349 like this:
2350 <programlisting>
2351    data NumInst a 
2352       = Num a => MkNumInst (NumInst a)
2353 </programlisting>
2354 Notice that, unlike the situation when declaring an existential, there is 
2355 no <literal>forall</literal>, because the <literal>Num</literal> constrains the
2356 data type's universally quantified type variable <literal>a</literal>.  
2357 A constructor may have both universal and existential type variables: for example,
2358 the following two declarations are equivalent:
2359 <programlisting>
2360    data T1 a 
2361         = forall b. (Num a, Eq b) => MkT1 a b
2362    data T2 a where
2363         MkT2 :: (Num a, Eq b) => a -> b -> T2 a
2364 </programlisting>
2365 </para>
2366 <para>All this behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treatment of 
2367 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
2368 In Haskell 98 the definition
2369 <programlisting>
2370   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
2371 </programlisting>
2372 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
2373 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
2374 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
2375 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
2376 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.
2377 </para>
2378
2379 <para>
2380 The rest of this section gives further details about GADT-style data
2381 type declarations.
2382
2383 <itemizedlist>
2384 <listitem><para>
2385 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
2386 If the result type of all constructors 
2387 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
2388 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
2389 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
2390 </para></listitem>
2391
2392 <listitem><para>
2393 As with other type signatures, you can give a single signature for several data constructors.
2394 In this example we give a single signature for <literal>T1</literal> and <literal>T2</literal>:
2395 <programlisting>
2396   data T a where
2397     T1,T2 :: a -> T a
2398     T3 :: T a
2399 </programlisting>
2400 </para></listitem>
2401
2402 <listitem><para>
2403 The type signature of
2404 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
2405 In particular, the type variable(s) in the "<literal>data T a where</literal>" header 
2406 have no scope, and different constructors may have different universally-quantified type variables:
2407 <programlisting>
2408   data T a where        -- The 'a' has no scope
2409     T1,T2 :: b -> T b   -- Means forall b. b -> T b
2410     T3 :: T a           -- Means forall a. T a
2411 </programlisting>
2412 </para></listitem>
2413
2414 <listitem><para>
2415 A constructor signature may mention type class constraints, which can differ for
2416 different constructors.  For example, this is fine:
2417 <programlisting>
2418   data T a where
2419     T1 :: Eq b => b -> b -> T b
2420     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
2421 </programlisting>
2422 When patten matching, these constraints are made available to discharge constraints
2423 in the body of the match. For example:
2424 <programlisting>
2425   f :: T a -> String
2426   f (T1 x y) | x==y      = "yes"
2427              | otherwise = "no"
2428   f (T2 a b)             = show a
2429 </programlisting>
2430 Note that <literal>f</literal> is not overloaded; the <literal>Eq</literal> constraint arising
2431 from the use of <literal>==</literal> is discharged by the pattern match on <literal>T1</literal>
2432 and similarly the <literal>Show</literal> constraint arising from the use of <literal>show</literal>.
2433 </para></listitem>
2434
2435 <listitem><para>
2436 Unlike a Haskell-98-style 
2437 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
2438 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
2439 <programlisting>
2440   data Set :: * -> * where ...
2441 </programlisting>
2442 or even a mixture of the two:
2443 <programlisting>
2444   data Bar a :: (* -> *) -> * where ...
2445 </programlisting>
2446 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
2447 like this:
2448 <programlisting>
2449   data Bar a (b :: * -> *) where ...
2450 </programlisting>
2451 </para></listitem>
2452
2453
2454 <listitem><para>
2455 You can use strictness annotations, in the obvious places
2456 in the constructor type:
2457 <programlisting>
2458   data Term a where
2459       Lit    :: !Int -> Term Int
2460       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
2461       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2462 </programlisting>
2463 </para></listitem>
2464
2465 <listitem><para>
2466 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
2467 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
2468 <programlisting>
2469   data Maybe1 a where {
2470       Nothing1 :: Maybe1 a ;
2471       Just1    :: a -> Maybe1 a
2472     } deriving( Eq, Ord )
2473
2474   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
2475        deriving( Eq, Ord )
2476 </programlisting>
2477 </para></listitem>
2478
2479 <listitem><para>
2480 The type signature may have quantified type variables that do not appear
2481 in the result type:
2482 <programlisting>
2483   data Foo where
2484      MkFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo
2485      Nil   :: Foo
2486 </programlisting>
2487 Here the type variable <literal>a</literal> does not appear in the result type
2488 of either constructor.  
2489 Although it is universally quantified in the type of the constructor, such
2490 a type variable is often called "existential".  
2491 Indeed, the above declaration declares precisely the same type as 
2492 the <literal>data Foo</literal> in <xref linkend="existential-quantification"/>.
2493 </para><para>
2494 The type may contain a class context too, of course:
2495 <programlisting>
2496   data Showable where
2497     MkShowable :: Show a => a -> Showable
2498 </programlisting>
2499 </para></listitem>
2500
2501 <listitem><para>
2502 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
2503
2504 <programlisting>
2505   data Person where
2506       Adult :: { name :: String, children :: [Person] } -> Person
2507       Child :: Show a => { name :: !String, funny :: a } -> Person
2508 </programlisting>
2509 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
2510 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
2511 The <literal>Child</literal> constructor above shows that the signature
2512 may have a context, existentially-quantified variables, and strictness annotations, 
2513 just as in the non-record case.  (NB: the "type" that follows the double-colon
2514 is not really a type, because of the record syntax and strictness annotations.
2515 A "type" of this form can appear only in a constructor signature.)
2516 </para></listitem>
2517
2518 <listitem><para> 
2519 Record updates are allowed with GADT-style declarations, 
2520 only fields that have the following property: the type of the field
2521 mentions no existential type variables.
2522 </para></listitem>
2523
2524 <listitem><para> 
2525 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
2526 (<xref linkend="existential-records"/>),
2527 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
2528 selectors.  
2529 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
2530 <programlisting>
2531 data Counter a where
2532     NewCounter { _this    :: self
2533                , _inc     :: self -> self
2534                , _display :: self -> IO ()
2535                , tag      :: a
2536                }
2537         :: Counter a
2538 </programlisting>
2539 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
2540 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
2541 </para></listitem>
2542 </itemizedlist></para>
2543 </sect2>
2544
2545 <sect2 id="gadt">
2546 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
2547
2548 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
2549 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
2550 <programlisting>
2551   data Term a where
2552       Lit    :: Int -> Term Int
2553       Succ   :: Term Int -> Term Int
2554       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
2555       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
2556       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2557 </programlisting>
2558 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
2559 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
2560 write a well-typed <literal>eval</literal> function
2561 for these <literal>Terms</literal>:
2562 <programlisting>
2563   eval :: Term a -> a
2564   eval (Lit i)      = i
2565   eval (Succ t)     = 1 + eval t
2566   eval (IsZero t)   = eval t == 0
2567   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
2568   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
2569 </programlisting>
2570 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
2571 For example, in the right hand side of the equation
2572 <programlisting>
2573   eval :: Term a -> a
2574   eval (Lit i) =  ...
2575 </programlisting>
2576 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
2577 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
2578 but the design closely follows that described in
2579 the paper <ulink
2580 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/">Simple
2581 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
2582 (ICFP 2006).
2583 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
2584 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
2585 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
2586 and lots of obscure error messages will
2587 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
2588 <programlisting>
2589   eval :: Term a -> a -> a
2590   eval (Lit i) j =  i+j
2591 </programlisting>
2592 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
2593 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
2594 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
2595 </para>
2596 <para>
2597 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
2598 Tim Sheard. There is a longer introduction
2599 <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
2600 and Ralf Hinze's
2601 <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
2602 may use different notation to that implemented in GHC.
2603 </para>
2604 <para>
2605 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs.   The extension is enabled with 
2606 <option>-XGADTs</option>.  The <option>-XGADTs</option> flag also sets <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
2607 <itemizedlist>
2608 <listitem><para>
2609 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
2610 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
2611 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
2612 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
2613 For example, in the <literal>Term</literal> data
2614 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
2615 the <literal>ty</literal> need not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
2616 constructor).
2617 </para></listitem>
2618
2619 <listitem><para>
2620 It is permitted to declare an ordinary algebraic data type using GADT-style syntax.
2621 What makes a GADT into a GADT is not the syntax, but rather the presence of data constructors
2622 whose result type is not just <literal>T a b</literal>.
2623 </para></listitem>
2624
2625 <listitem><para>
2626 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
2627 an ordinary data type.
2628 </para></listitem>
2629
2630 <listitem><para>
2631 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
2632 For example:
2633 <programlisting>
2634   data Term a where
2635       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
2636       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
2637       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
2638       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
2639       Pair   { arg1 :: Term a
2640              , arg2 :: Term b
2641              }                    :: Term (a,b)
2642       If     { cnd  :: Term Bool
2643              , tru  :: Term a
2644              , fls  :: Term a
2645              }                    :: Term a
2646 </programlisting>
2647 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
2648 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
2649 the same result type (modulo alpha conversion)
2650 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
2651 and <literal>arg</literal> fields above into a 
2652 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
2653 their selector functions actually have different types:
2654
2655 <programlisting>
2656   num :: Term Int -> Term Int
2657   arg :: Term Bool -> Term Int
2658 </programlisting>
2659 </para></listitem>
2660
2661 <listitem><para>
2662 When pattern-matching against data constructors drawn from a GADT, 
2663 for example in a <literal>case</literal> expression, the following rules apply:
2664 <itemizedlist>
2665 <listitem><para>The type of the scrutinee must be rigid.</para></listitem>
2666 <listitem><para>The type of the entire <literal>case</literal> expression must be rigid.</para></listitem>
2667 <listitem><para>The type of any free variable mentioned in any of
2668 the <literal>case</literal> alternatives must be rigid.</para></listitem>
2669 </itemizedlist>
2670 A type is "rigid" if it is completely known to the compiler at its binding site.  The easiest
2671 way to ensure that a variable a rigid type is to give it a type signature.
2672 For more precise details see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt">
2673 Simple unification-based type inference for GADTs
2674 </ulink>. The criteria implemented by GHC are given in the Appendix.
2675
2676 </para></listitem>
2677
2678 </itemizedlist>
2679 </para>
2680
2681 </sect2>
2682 </sect1>
2683
2684 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
2685
2686 <sect1 id="deriving">
2687 <title>Extensions to the "deriving" mechanism</title>
2688
2689 <sect2 id="deriving-inferred">
2690 <title>Inferred context for deriving clauses</title>
2691
2692 <para>
2693 The Haskell Report is vague about exactly when a <literal>deriving</literal> clause is
2694 legal.  For example:
2695 <programlisting>
2696   data T0 f a = MkT0 a         deriving( Eq )
2697   data T1 f a = MkT1 (f a)     deriving( Eq )
2698   data T2 f a = MkT2 (f (f a)) deriving( Eq )
2699 </programlisting>
2700 The natural generated <literal>Eq</literal> code would result in these instance declarations:
2701 <programlisting>
2702   instance Eq a         => Eq (T0 f a) where ...
2703   instance Eq (f a)     => Eq (T1 f a) where ...
2704   instance Eq (f (f a)) => Eq (T2 f a) where ...
2705 </programlisting>
2706 The first of these is obviously fine. The second is still fine, although less obviously. 
2707 The third is not Haskell 98, and risks losing termination of instances.
2708 </para>
2709 <para>
2710 GHC takes a conservative position: it accepts the first two, but not the third.  The  rule is this:
2711 each constraint in the inferred instance context must consist only of type variables, 
2712 with no repetitions.
2713 </para>
2714 <para>
2715 This rule is applied regardless of flags.  If you want a more exotic context, you can write
2716 it yourself, using the <link linkend="stand-alone-deriving">standalone deriving mechanism</link>.
2717 </para>
2718 </sect2>
2719
2720 <sect2 id="stand-alone-deriving">
2721 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
2722
2723 <para>
2724 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-XStandaloneDeriving</literal>:
2725 <programlisting>
2726   data Foo a = Bar a | Baz String
2727
2728   deriving instance Eq a => Eq (Foo a)
2729 </programlisting>
2730 The syntax is identical to that of an ordinary instance declaration apart from (a) the keyword
2731 <literal>deriving</literal>, and (b) the absence of the <literal>where</literal> part.
2732 Note the following points:
2733 <itemizedlist>
2734 <listitem><para>
2735 You must supply an explicit context (in the example the context is <literal>(Eq a)</literal>), 
2736 exactly as you would in an ordinary instance declaration.
2737 (In contrast, in a <literal>deriving</literal> clause 
2738 attached to a data type declaration, the context is inferred.) 
2739 </para></listitem>
2740
2741 <listitem><para>
2742 A <literal>deriving instance</literal> declaration
2743 must obey the same rules concerning form and termination as ordinary instance declarations,
2744 controlled by the same flags; see <xref linkend="instance-decls"/>.
2745 </para></listitem>
2746
2747 <listitem><para>
2748 Unlike a <literal>deriving</literal>
2749 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, the instance can be more specific
2750 than the data type (assuming you also use 
2751 <literal>-XFlexibleInstances</literal>, <xref linkend="instance-rules"/>).  Consider
2752 for example
2753 <programlisting>
2754   data Foo a = Bar a | Baz String
2755
2756   deriving instance Eq a => Eq (Foo [a])
2757   deriving instance Eq a => Eq (Foo (Maybe a))
2758 </programlisting>
2759 This will generate a derived instance for <literal>(Foo [a])</literal> and <literal>(Foo (Maybe a))</literal>,
2760 but other types such as <literal>(Foo (Int,Bool))</literal> will not be an instance of <literal>Eq</literal>.
2761 </para></listitem>
2762
2763 <listitem><para>
2764 Unlike a <literal>deriving</literal>
2765 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, 
2766 GHC does not restrict the form of the data type.  Instead, GHC simply generates the appropriate
2767 boilerplate code for the specified class, and typechecks it. If there is a type error, it is
2768 your problem. (GHC will show you the offending code if it has a type error.) 
2769 The merit of this is that you can derive instances for GADTs and other exotic
2770 data types, providing only that the boilerplate code does indeed typecheck.  For example:
2771 <programlisting>
2772   data T a where
2773      T1 :: T Int
2774      T2 :: T Bool
2775
2776   deriving instance Show (T a)
2777 </programlisting>
2778 In this example, you cannot say <literal>... deriving( Show )</literal> on the 
2779 data type declaration for <literal>T</literal>, 
2780 because <literal>T</literal> is a GADT, but you <emphasis>can</emphasis> generate
2781 the instance declaration using stand-alone deriving.
2782 </para>
2783 </listitem>
2784
2785 <listitem>
2786 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
2787 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
2788 For example:
2789 <programlisting>
2790   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
2791
2792   deriving instance MonadState Int Foo
2793 </programlisting>
2794 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
2795 (<literal>Foo</literal> in this example) as the type whose instance is being derived.
2796 </para></listitem>
2797 </itemizedlist></para>
2798
2799 </sect2>
2800
2801
2802 <sect2 id="deriving-typeable">
2803 <title>Deriving clause for extra classes (<literal>Typeable</literal>, <literal>Data</literal>, etc)</title>
2804
2805 <para>
2806 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
2807 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
2808 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
2809 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
2810 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
2811 </para>
2812 <para>
2813 GHC extends this list with several more classes that may be automatically derived:
2814 <itemizedlist>
2815 <listitem><para> With <option>-XDeriveDataTypeable</option>, you can derive instances of the classes
2816 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>, defined in the library
2817 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively.
2818 </para>
2819 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
2820 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
2821 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
2822 described in
2823 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
2824 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
2825 </ulink>.
2826 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
2827 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
2828 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
2829 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
2830 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
2831 then writing the data type instance by hand.
2832 </para>
2833 </listitem>
2834
2835 <listitem><para> With <option>-XDeriveFunctor</option>, you can derive instances of 
2836 the class <literal>Functor</literal>,
2837 defined in <literal>GHC.Base</literal>.
2838 </para></listitem>
2839
2840 <listitem><para> With <option>-XDeriveFoldable</option>, you can derive instances of 
2841 the class <literal>Foldable</literal>,
2842 defined in <literal>Data.Foldable</literal>.
2843 </para></listitem>
2844
2845 <listitem><para> With <option>-XDeriveTraversable</option>, you can derive instances of 
2846 the class <literal>Traversable</literal>,
2847 defined in <literal>Data.Traversable</literal>.
2848 </para></listitem>
2849 </itemizedlist>
2850 In each case the appropriate class must be in scope before it 
2851 can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
2852 </para>
2853 </sect2>
2854
2855 <sect2 id="newtype-deriving">
2856 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2857
2858 <para>
2859 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2860 the new type to inherit some instances from its representation. In
2861 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2862 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2863 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2864 example, if you define
2865
2866 <programlisting>
2867   newtype Dollars = Dollars Int 
2868 </programlisting>
2869
2870 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2871 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2872
2873 <programlisting>
2874   instance Num Dollars where
2875     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2876     ...
2877 </programlisting>
2878 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
2879 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
2880 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
2881 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
2882 dictionary, only slower!
2883 </para>
2884
2885
2886 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
2887 <para>
2888 GHC now permits such instances to be derived instead, 
2889 using the flag <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
2890 so one can write 
2891 <programlisting>
2892   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
2893 </programlisting>
2894
2895 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
2896 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
2897 derives an instance declaration of the form
2898
2899 <programlisting>
2900   instance Num Int => Num Dollars
2901 </programlisting>
2902
2903 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
2904 </para>
2905 <para>
2906
2907 We can also derive instances of constructor classes in a similar
2908 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
2909 transformers, such that
2910
2911 <programlisting>
2912   instance Monad m => Monad (State s m) 
2913   instance Monad m => Monad (Failure m)
2914 </programlisting>
2915 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
2916 <programlisting>
2917   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
2918 </programlisting>
2919
2920 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
2921 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
2922 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
2923
2924 <programlisting>
2925   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2926                          deriving Monad
2927 </programlisting>
2928 In this case the derived instance declaration is of the form 
2929 <programlisting>
2930   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
2931 </programlisting>
2932
2933 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
2934 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
2935 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
2936 "eta-converted" to generate the context of the instance
2937 declaration.
2938 </para>
2939 <para>
2940
2941 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
2942 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
2943 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
2944 clause. For example, given the class
2945
2946 <programlisting>
2947   class StateMonad s m | m -> s where ... 
2948   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
2949 </programlisting>
2950 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
2951 <programlisting>
2952   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2953                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
2954 </programlisting>
2955
2956 The derived instance is obtained by completing the application of the
2957 class to the new type:
2958
2959 <programlisting>
2960   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
2961            StateMonad [tok] (Parser tok m)
2962 </programlisting>
2963 </para>
2964 <para>
2965
2966 As a result of this extension, all derived instances in newtype
2967  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
2968 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
2969 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
2970 the newtype and its representation.
2971 </para>
2972 </sect3>
2973
2974 <sect3> <title> A more precise specification </title>
2975 <para>
2976 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
2977 declaration (after expansion of any type synonyms)
2978
2979 <programlisting>
2980   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
2981 </programlisting>
2982
2983 where 
2984  <itemizedlist>
2985 <listitem><para>
2986   The <literal>ci</literal> are partial applications of
2987   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
2988   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
2989 </para></listitem>
2990 <listitem><para>
2991   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
2992 </para></listitem>
2993 <listitem><para>
2994   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
2995 </para></listitem>
2996 <listitem><para>
2997   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
2998   nor in the <literal>ci</literal>, and
2999 </para></listitem>
3000 <listitem><para>
3001   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3002                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3003                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3004                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3005                 via this new mechanism.  
3006 </para></listitem>
3007 </itemizedlist>
3008 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3009 declaration is:
3010 <programlisting>
3011   instance ci t => ci (T v1...vk)
3012 </programlisting>
3013 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3014 <programlisting>
3015   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3016 </programlisting>
3017 Here we cannot derive the instance 
3018 <programlisting>
3019   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3020 </programlisting>
3021
3022 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3023 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3024 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3025 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3026 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3027 </para>
3028 <para>
3029
3030 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3031 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3032 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3033
3034 <programlisting>
3035   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3036 </programlisting>
3037
3038 then we would not have been able to derive an instance for the
3039 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3040 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3041 instances is most interesting.
3042 </para>
3043 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3044 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3045 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3046 4.3.3. of the Haskell Report).
3047 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3048 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3049 the standard method is used or the one described here.)
3050 </para>
3051 </sect3>
3052 </sect2>
3053 </sect1>
3054
3055
3056 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
3057 <sect1 id="type-class-extensions">
3058 <title>Class and instances declarations</title>
3059
3060 <sect2 id="multi-param-type-classes">
3061 <title>Class declarations</title>
3062
3063 <para>
3064 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
3065 There's lots of background in the paper <ulink
3066 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space/">Type
3067 classes: exploring the design space</ulink> (Simon Peyton Jones, Mark
3068 Jones, Erik Meijer).
3069 </para>
3070 <para>
3071 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
3072 </para>
3073
3074 <sect3>
3075 <title>Multi-parameter type classes</title>
3076 <para>
3077 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
3078
3079
3080 <programlisting>
3081   class Collection c a where
3082     union :: c a -> c a -> c a
3083     ...etc.
3084 </programlisting>
3085
3086 </para>
3087 </sect3>
3088
3089 <sect3>
3090 <title>The superclasses of a class declaration</title>
3091
3092 <para>
3093 There are no restrictions on the context in a class declaration
3094 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
3095 be acyclic.  So these class declarations are OK:
3096
3097
3098 <programlisting>
3099   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
3100     ...
3101
3102   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
3103     lift :: m a -> (t m) a
3104 </programlisting>
3105
3106
3107 </para>
3108 <para>
3109 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
3110 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
3111 this is OK:
3112
3113
3114 <programlisting>
3115   class C a where {
3116     op :: D b => a -> b -> b
3117   }
3118
3119   class C a => D a where { ... }
3120 </programlisting>
3121
3122
3123 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
3124 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
3125 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
3126 </para>
3127 </sect3>
3128
3129
3130
3131
3132 <sect3 id="class-method-types">
3133 <title>Class method types</title>
3134
3135 <para>
3136 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
3137 class type variable, thus:
3138 <programlisting>
3139   class Seq s a where
3140     fromList :: [a] -> s a
3141     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
3142 </programlisting>
3143 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
3144 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
3145 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
3146 GHC lifts this restriction (flag <option>-XConstrainedClassMethods</option>).
3147 </para>
3148
3149
3150 </sect3>
3151 </sect2>
3152
3153 <sect2 id="functional-dependencies">
3154 <title>Functional dependencies
3155 </title>
3156
3157 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
3158 in &ldquo;<ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/jones00type.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
3159 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
3160 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
3161 .
3162 </para>
3163 <para>
3164 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
3165 class declaration;  e.g. 
3166 <programlisting>
3167   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
3168
3169   class Foo a b c | a b -> c where ...
3170 </programlisting>
3171 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
3172 </para>
3173
3174 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
3175 <para>
3176 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
3177 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
3178 from the free variables of each method type.
3179 For example:
3180
3181 <programlisting>
3182   class Coll s a where
3183     empty  :: s
3184     insert :: s -> a -> s
3185 </programlisting>
3186
3187 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
3188 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
3189 reachable:
3190 <programlisting>
3191   class Coll s a | s -> a where
3192     empty  :: s
3193     insert :: s -> a -> s
3194 </programlisting>
3195
3196 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
3197
3198 <programlisting>
3199   class Coll s a where
3200     empty  :: s a
3201     insert :: s a -> a -> s a
3202 </programlisting>
3203
3204
3205 which makes the connection between the type of a collection of
3206 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
3207 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
3208 class like this:
3209
3210
3211 <programlisting>
3212   class CollE s where
3213     empty  :: s
3214
3215   class CollE s => Coll s a where
3216     insert :: s -> a -> s
3217 </programlisting>
3218 </para>
3219 </sect3>
3220
3221
3222 <sect3>
3223 <title>Background on functional dependencies</title>
3224
3225 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
3226 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
3227 permission of Mark Jones.
3228 </para>
3229 <para> 
3230 Consider the following class, intended as part of a
3231 library for collection types:
3232 <programlisting>
3233    class Collects e ce where
3234        empty  :: ce
3235        insert :: e -> ce -> ce
3236        member :: e -> ce -> Bool
3237 </programlisting>
3238 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
3239 of the container itself. Within this framework, we might want to define
3240 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
3241 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
3242 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
3243 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
3244 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
3245 <programlisting>
3246    instance Eq e => Collects e [e] where ...
3247    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
3248    instance Collects Char BitSet where ...
3249    instance (Hashable e, Collects a ce)
3250               => Collects e (Array Int ce) where ...
3251 </programlisting>
3252 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
3253 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
3254 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
3255 <programlisting>
3256    empty :: Collects e ce => ce
3257 </programlisting>
3258 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
3259 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
3260 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
3261 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
3262 type.
3263 </para>
3264 <para>
3265 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
3266 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
3267 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
3268 them. For example, consider the following two functions: 
3269 <programlisting>
3270    f x y = insert x . insert y
3271    g     = f True 'a'
3272 </programlisting>
3273 for which GHC infers the following types: 
3274 <programlisting>
3275    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3276    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
3277 </programlisting>
3278 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
3279 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
3280 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
3281 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
3282 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
3283 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
3284 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
3285 might even be in a different module.
3286 </para>
3287
3288 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
3289
3290 <para>
3291 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
3292 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
3293 <programlisting>
3294    class Collects e c where
3295       empty  :: c e
3296       insert :: e -> c e -> c e
3297       member :: e -> c e -> Bool
3298 </programlisting>
3299 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
3300 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
3301 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
3302 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
3303 e</literal>, which is not ambiguous. 
3304 </para>
3305 <para>
3306 The function f from the previous section has a more accurate type: 
3307 <programlisting>
3308    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
3309 </programlisting>
3310 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
3311 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
3312 different types. 
3313 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
3314 quite well in practice, without ambiguity problems.
3315 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
3316 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
3317 for <literal>Collects</literal>
3318 given above can be used with this version of Collects because only one of
3319 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
3320 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
3321 </para>
3322 </sect4>
3323
3324 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
3325
3326 <para>
3327 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
3328 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
3329 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
3330 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
3331 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
3332 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
3333 later framework for "improvement" of qualified types. The
3334 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
3335 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
3336 general design space for systems of implicit parameterization.).
3337
3338 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
3339 <programlisting>
3340    class C a b where ...
3341 </programlisting>
3342 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
3343 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
3344 included in the definition of classes to add information about dependencies
3345 between parameters, as in the following examples: 
3346 <programlisting>
3347    class D a b | a -> b where ...
3348    class E a b | a -> b, b -> a where ...
3349 </programlisting>
3350 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
3351 symbols --- not to be
3352 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
3353 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
3354 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
3355 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
3356 represents a (partial) one-one mapping between types.
3357 </para>
3358 <para>
3359 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
3360 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
3361 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
3362 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
3363 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
3364 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
3365 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
3366 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
3367 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
3368 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
3369 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
3370 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
3371 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
3372 <literal>a-&gt;b</literal>, 
3373  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
3374 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
3375 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
3376 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
3377 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
3378 unchanged.
3379 </para>
3380 <para>
3381 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
3382 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
3383 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
3384 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
3385 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
3386 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
3387 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
3388 <programlisting>
3389    instance D Bool Int where ...
3390    instance D Bool Char where ...
3391 </programlisting>
3392 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
3393 <programlisting>
3394    instance D [a] b where ...
3395 </programlisting>
3396 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
3397 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
3398 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
3399 in any instance of the form: 
3400 <programlisting>
3401    instance D t s where ...
3402 </programlisting>
3403 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
3404 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
3405 uniquely determined.
3406 </para>
3407 <para>
3408 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
3409 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
3410 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
3411 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
3412 with a simple dependency: 
3413 <programlisting>
3414    class Collects e ce | ce -> e where
3415       empty  :: ce
3416       insert :: e -> ce -> ce
3417       member :: e -> ce -> Bool
3418 </programlisting>
3419 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
3420 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
3421 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
3422 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
3423 together with this new definition.
3424 </para>
3425 <para>
3426 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
3427 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
3428 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
3429 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
3430 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
3431 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
3432 give enough information to determine types for both ce and e, without
3433 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
3434 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
3435 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
3436 </para>
3437 <para>
3438 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
3439 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
3440 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
3441 function f: 
3442 <programlisting>
3443    f x y = insert x y = insert x . insert y
3444 </programlisting>
3445 for which we originally obtained a type: 
3446 <programlisting>
3447    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3448 </programlisting>
3449 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
3450 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
3451 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
3452 can infer a shorter and more accurate type for f: 
3453 <programlisting>
3454    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
3455 </programlisting>
3456 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
3457 </para>
3458 <para>
3459 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
3460 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
3461 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
3462 sets of instance declarations.
3463 </para>
3464 </sect4>
3465 </sect3>
3466 </sect2>
3467
3468 <sect2 id="instance-decls">
3469 <title>Instance declarations</title>
3470
3471 <para>An instance declaration has the form
3472 <screen>
3473   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 ...
3474 </screen>
3475 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
3476 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
3477 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
3478 </para>
3479
3480 <sect3 id="flexible-instance-head">
3481 <title>Relaxed rules for the instance head</title>
3482
3483 <para>
3484 In Haskell 98 the head of an instance declaration
3485 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
3486 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a data type constructor,
3487 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
3488 GHC relaxes these rules in two ways.
3489 <itemizedlist>
3490 <listitem>
3491 <para>
3492 The <option>-XFlexibleInstances</option> flag allows the head of the instance
3493 declaration to mention arbitrary nested types.
3494 For example, this becomes a legal instance declaration
3495 <programlisting>
3496   instance C (Maybe Int) where ...
3497 </programlisting>
3498 See also the <link linkend="instance-overlap">rules on overlap</link>.
3499 </para></listitem>
3500 <listitem><para>
3501 With the <option>-XTypeSynonymInstances</option> flag, instance heads may use type
3502 synonyms. As always, using a type synonym is just shorthand for
3503 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
3504
3505
3506 <programlisting>
3507   type Point = (Int,Int)
3508   instance C Point   where ...
3509   instance C [Point] where ...
3510 </programlisting>
3511
3512
3513 is legal.  However, if you added
3514
3515
3516 <programlisting>
3517   instance C (Int,Int) where ...
3518 </programlisting>
3519
3520
3521 as well, then the compiler will complain about the overlapping
3522 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
3523 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
3524
3525 <programlisting>
3526   type P a = [[a]]
3527   instance Monad P where ...
3528 </programlisting>
3529
3530 </para></listitem>
3531 </itemizedlist>
3532 </para>
3533 </sect3>
3534
3535 <sect3 id="instance-rules">
3536 <title>Relaxed rules for instance contexts</title>
3537
3538 <para>In Haskell 98, the assertions in the context of the instance declaration
3539 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
3540 is a type variable that occurs in the head.
3541 </para>
3542
3543 <para>
3544 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag relaxes this rule, as well
3545 as the corresponding rule for type signatures (see <xref linkend="flexible-contexts"/>).
3546 With this flag the context of the instance declaration can each consist of arbitrary
3547 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
3548 following rules:
3549 <orderedlist>
3550 <listitem><para>
3551 The Paterson Conditions: for each assertion in the context
3552 <orderedlist>
3553 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
3554 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
3555       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
3556 </orderedlist>
3557 </para></listitem>
3558
3559 <listitem><para>The Coverage Condition.  For each functional dependency,
3560 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
3561 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
3562 every type variable in
3563 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
3564 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
3565 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
3566 corresponding type in the instance declaration.
3567 </para></listitem>
3568 </orderedlist>
3569 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
3570 step makes the problem smaller by at least one
3571 constructor.  Both the Paterson Conditions and the Coverage Condition are lifted 
3572 if you give the <option>-XUndecidableInstances</option> 
3573 flag (<xref linkend="undecidable-instances"/>).
3574 You can find lots of background material about the reason for these
3575 restrictions in the paper <ulink
3576 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
3577 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
3578 </para>
3579 <para>
3580 For example, these are OK:
3581 <programlisting>
3582   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
3583   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
3584
3585       -- Repeated type variable in head
3586   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
3587   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
3588
3589       -- Head can consist of type variables only
3590   instance C a
3591   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
3592
3593       -- Non-type variables in context
3594   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
3595   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
3596   instance C2 Int a => C3 [a] b
3597 </programlisting>
3598 But these are not:
3599 <programlisting>
3600       -- Context assertion no smaller than head
3601   instance C a => C a where ...
3602       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
3603   instance C b b => Foo [b] where ...
3604 </programlisting>
3605 </para>
3606
3607 <para>
3608 The same restrictions apply to instances generated by
3609 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
3610 <programlisting>
3611   data MinHeap h a = H a (h a)
3612     deriving (Show)
3613 </programlisting>
3614 because the derived instance
3615 <programlisting>
3616   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
3617 </programlisting>
3618 conforms to the above rules.
3619 </para>
3620
3621 <para>
3622 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
3623 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
3624 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
3625 something more specific does not:
3626 <programlisting>
3627   instance C a where
3628     op = ... -- Default
3629 </programlisting>
3630 </para>
3631 </sect3>
3632
3633 <sect3 id="undecidable-instances">
3634 <title>Undecidable instances</title>
3635
3636 <para>
3637 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
3638 For example, sometimes you might want to use the following to get the
3639 effect of a "class synonym":
3640 <programlisting>
3641   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3642
3643   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3644 </programlisting>
3645 This allows you to write shorter signatures:
3646 <programlisting>
3647   f :: C a => ...
3648 </programlisting>
3649 instead of
3650 <programlisting>
3651   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
3652 </programlisting>
3653 The restrictions on functional dependencies (<xref
3654 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
3655 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
3656 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
3657 <programlisting>
3658   class HasConverter a b | a -> b where
3659      convert :: a -> b
3660    
3661   data Foo a = MkFoo a
3662
3663   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
3664      show (MkFoo value) = show (convert value)
3665 </programlisting>
3666 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
3667 typechecker loop:
3668 <programlisting>
3669   class D a
3670   class F a b | a->b
3671   instance F [a] [[a]]
3672   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
3673 </programlisting>
3674 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
3675 <programlisting>
3676   class Mul a b c | a b -> c where
3677         (.*.) :: a -> b -> c
3678
3679   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
3680   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
3681   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
3682 </programlisting>
3683 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
3684 and indeed the (somewhat strange) definition:
3685 <programlisting>
3686   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
3687 </programlisting>
3688 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
3689 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
3690 </para>
3691 <para>
3692 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
3693 the experimental flag <option>-XUndecidableInstances</option>
3694 <indexterm><primary>-XUndecidableInstances</primary></indexterm>, 
3695 both the Paterson Conditions and the Coverage Condition
3696 (described in <xref linkend="instance-rules"/>) are lifted.  Termination is ensured by having a
3697 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
3698 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
3699 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
3700 </para>
3701
3702 </sect3>
3703
3704
3705 <sect3 id="instance-overlap">
3706 <title>Overlapping instances</title>
3707 <para>
3708 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
3709 declaration
3710 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
3711 can be modified by two flags: <option>-XOverlappingInstances</option>
3712 <indexterm><primary>-XOverlappingInstances
3713 </primary></indexterm> 
3714 and <option>-XIncoherentInstances</option>
3715 <indexterm><primary>-XIncoherentInstances
3716 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
3717 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
3718 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
3719 <para>
3720 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
3721 it tries to match every instance declaration against the
3722 constraint,
3723 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
3724 these declarations:
3725 <programlisting>
3726   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
3727   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
3728   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
3729   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
3730 </programlisting>
3731 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
3732 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
3733 no account of the context of the instance declaration
3734 (<literal>context1</literal> etc).
3735 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
3736 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
3737 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
3738 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
3739 particular constraint matches more than one.
3740 </para>
3741
3742 <para>
3743 The <option>-XOverlappingInstances</option> flag instructs GHC to allow
3744 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
3745 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
3746 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
3747 most-specific match, the program is rejected.
3748 </para>
3749 <para>
3750 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
3751 <programlisting>
3752   f :: [b] -> [b]
3753   f x = ...
3754 </programlisting>
3755 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
3756 <literal>C Int [b]</literal>.  But
3757 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
3758 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
3759 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
3760 So GHC rejects the program.  
3761 (If you add the flag <option>-XIncoherentInstances</option>,
3762 GHC will instead pick (C), without complaining about 
3763 the problem of subsequent instantiations.)
3764 </para>
3765 <para>
3766 Notice that we gave a type signature to <literal>f</literal>, so GHC had to
3767 <emphasis>check</emphasis> that <literal>f</literal> has the specified type.  
3768 Suppose instead we do not give a type signature, asking GHC to <emphasis>infer</emphasis>
3769 it instead.  In this case, GHC will refrain from
3770 simplifying the constraint <literal>C Int [b]</literal> (for the same reason
3771 as before) but, rather than rejecting the program, it will infer the type
3772 <programlisting>
3773   f :: C Int [b] => [b] -> [b]
3774 </programlisting>
3775 That postpones the question of which instance to pick to the 
3776 call site for <literal>f</literal>
3777 by which time more is known about the type <literal>b</literal>.
3778 You can write this type signature yourself if you use the 
3779 <link linkend="flexible-contexts"><option>-XFlexibleContexts</option></link>
3780 flag.
3781 </para>
3782 <para>
3783 Exactly the same situation can arise in instance declarations themselves.  Suppose we have
3784 <programlisting>
3785   class Foo a where
3786      f :: a -> a
3787   instance Foo [b] where
3788      f x = ...
3789 </programlisting>
3790 and, as before, the constraint <literal>C Int [b]</literal> arises from <literal>f</literal>'s
3791 right hand side.  GHC will reject the instance, complaining as before that it does not know how to resolve
3792 the constraint <literal>C Int [b]</literal>, because it matches more than one instance
3793 declaration.  The solution is to postpone the choice by adding the constraint to the context
3794 of the instance declaration, thus:
3795 <programlisting>
3796   instance C Int [b] => Foo [b] where
3797      f x = ...
3798 </programlisting>
3799 (You need <link linkend="instance-rules"><option>-XFlexibleInstances</option></link> to do this.)
3800 </para>
3801 <para>
3802 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
3803 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
3804 presence or otherwise of the <option>-XOverlappingInstances</option> 
3805 and <option>-XIncoherentInstances</option> flags when that module is
3806 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
3807 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
3808 <itemizedlist>
3809 <listitem><para>
3810 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
3811 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
3812 <option>-XOverlappingInstances</option>.  The flag setting for the
3813 more-specific instance does not matter.
3814 </para></listitem>
3815 <listitem><para>
3816 Suppose an instance declaration does not match the constraint being looked up, but
3817 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
3818 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
3819 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
3820 <option>-XIncoherentInstances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
3821 check for that declaration.
3822 </para></listitem>
3823 </itemizedlist>
3824 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
3825 overlapping instances without the library client having to know.  
3826 </para>
3827 <para>
3828 If an instance declaration is compiled without
3829 <option>-XOverlappingInstances</option>,
3830 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
3831 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
3832 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
3833 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
3834 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
3835 are compiled, if the <option>-XOverlappingInstances</option> flag is
3836 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
3837 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
3838 </para>
3839 <para>The <option>-XIncoherentInstances</option> flag implies the
3840 <option>-XOverlappingInstances</option> flag, but not vice versa.
3841 </para>
3842 </sect3>
3843
3844
3845
3846 </sect2>
3847
3848 <sect2 id="overloaded-strings">
3849 <title>Overloaded string literals
3850 </title>
3851
3852 <para>
3853 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
3854 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
3855 literals enabled (with <literal>-XOverloadedStrings</literal>)
3856  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
3857 </para>
3858 <para>
3859 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
3860 and other variations of string like types.  String literals behave very much
3861 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
3862 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
3863 way as an integer literal is.
3864 </para>
3865 <para>
3866 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
3867 <programlisting>
3868 class IsString a where
3869     fromString :: String -> a
3870 </programlisting>
3871 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
3872 <programlisting>
3873 instance IsString [Char] where
3874     fromString cs = cs
3875 </programlisting>
3876 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
3877 it explicitly (for example, to give an instance declaration for it), you can import it
3878 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
3879 </para>
3880 <para>
3881 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-XOverloadedStrings</option> is specified.
3882 Specifically:
3883 <itemizedlist>
3884 <listitem><para>
3885 Each type in a default declaration must be an 
3886 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
3887 </para></listitem>
3888
3889 <listitem><para>
3890 The standard defaulting rule (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
3891 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
3892 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
3893 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
3894 </para></listitem>
3895 </itemizedlist>
3896 </para>
3897 <para>
3898 A small example:
3899 <programlisting>
3900 module Main where
3901
3902 import GHC.Exts( IsString(..) )
3903
3904 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
3905 instance IsString MyString where
3906     fromString = MyString
3907
3908 greet :: MyString -> MyString
3909 greet "hello" = "world"
3910 greet other = other
3911
3912 main = do
3913     print $ greet "hello"
3914     print $ greet "fool"
3915 </programlisting>
3916 </para>
3917 <para>
3918 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
3919 to work since it gets translated into an equality comparison.
3920 </para>
3921 </sect2>
3922
3923 </sect1>
3924
3925 <sect1 id="type-families">
3926 <title>Type families</title>
3927
3928 <para>
3929   <firstterm>Indexed type families</firstterm> are a new GHC extension to
3930   facilitate type-level 
3931   programming. Type families are a generalisation of <firstterm>associated
3932   data types</firstterm> 
3933   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKPM05.html">Associated 
3934   Types with Class</ulink>&rdquo;, M. Chakravarty, G. Keller, S. Peyton Jones,
3935   and S. Marlow. In Proceedings of &ldquo;The 32nd Annual ACM SIGPLAN-SIGACT
3936      Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'05)&rdquo;, pages
3937   1-13, ACM Press, 2005) and <firstterm>associated type synonyms</firstterm>
3938   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKP05.html">Type  
3939   Associated Type Synonyms</ulink>&rdquo;. M. Chakravarty, G. Keller, and
3940   S. Peyton Jones. 
3941   In Proceedings of &ldquo;The Tenth ACM SIGPLAN International Conference on
3942   Functional Programming&rdquo;, ACM Press, pages 241-253, 2005).  Type families
3943   themselves are described in the paper &ldquo;<ulink 
3944   url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
3945   Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;, T. Schrijvers,
3946   S. Peyton-Jones, 
3947   M. Chakravarty, and M. Sulzmann, in Proceedings of &ldquo;ICFP 2008: The
3948   13th ACM SIGPLAN International Conference on Functional
3949   Programming&rdquo;, ACM Press, pages 51-62, 2008. Type families
3950   essentially provide type-indexed data types and named functions on types,
3951   which are useful for generic programming and highly parameterised library
3952   interfaces as well as interfaces with enhanced static information, much like
3953   dependent types. They might also be regarded as an alternative to functional
3954   dependencies, but provide a more functional style of type-level programming
3955   than the relational style of functional dependencies. 
3956 </para>
3957 <para>
3958   Indexed type families, or type families for short, are type constructors that
3959   represent sets of types. Set members are denoted by supplying the type family
3960   constructor with type parameters, which are called <firstterm>type
3961   indices</firstterm>. The 
3962   difference between vanilla parametrised type constructors and family
3963   constructors is much like between parametrically polymorphic functions and
3964   (ad-hoc polymorphic) methods of type classes. Parametric polymorphic functions
3965   behave the same at all type instances, whereas class methods can change their
3966   behaviour in dependence on the class type parameters. Similarly, vanilla type
3967   constructors imply the same data representation for all type instances, but
3968   family constructors can have varying representation types for varying type
3969   indices. 
3970 </para>
3971 <para>
3972   Indexed type families come in two flavours: <firstterm>data
3973     families</firstterm> and <firstterm>type synonym 
3974     families</firstterm>. They are the indexed family variants of algebraic
3975   data types and type synonyms, respectively. The instances of data families
3976   can be data types and newtypes. 
3977 </para>
3978 <para>
3979   Type families are enabled by the flag <option>-XTypeFamilies</option>.
3980   Additional information on the use of type families in GHC is available on
3981   <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GHC/Indexed_types">the
3982   Haskell wiki page on type families</ulink>.
3983 </para>
3984
3985 <sect2 id="data-families">
3986   <title>Data families</title>
3987
3988   <para>
3989     Data families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
3990     toplevel 
3991     or (2) they can appear inside type classes (in which case they are known as
3992     associated types). The former is the more general variant, as it lacks the
3993     requirement for the type-indexes to coincide with the class
3994     parameters. However, the latter can lead to more clearly structured code and
3995     compiler warnings if some type instances were - possibly accidentally -
3996     omitted. In the following, we always discuss the general toplevel form first
3997     and then cover the additional constraints placed on associated types.
3998   </para>
3999
4000   <sect3 id="data-family-declarations"> 
4001     <title>Data family declarations</title>
4002
4003     <para>
4004       Indexed data families are introduced by a signature, such as 
4005 <programlisting>
4006 data family GMap k :: * -> *
4007 </programlisting>
4008       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4009       data declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4010       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is
4011 <programlisting>
4012 data family Array e
4013 </programlisting>
4014       Named arguments can also be given explicit kind signatures if needed.
4015       Just as with
4016       [http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/users_guide/gadt.html GADT
4017       declarations] named arguments are entirely optional, so that we can
4018       declare <literal>Array</literal> alternatively with 
4019 <programlisting>
4020 data family Array :: * -> *
4021 </programlisting>
4022     </para>
4023
4024     <sect4 id="assoc-data-family-decl">
4025       <title>Associated data family declarations</title>
4026       <para>
4027         When a data family is declared as part of a type class, we drop
4028         the <literal>family</literal> special.  The <literal>GMap</literal>
4029         declaration takes the following form 
4030 <programlisting>
4031 class GMapKey k where
4032   data GMap k :: * -> *
4033   ...
4034 </programlisting>
4035         In contrast to toplevel declarations, named arguments must be used for
4036         all type parameters that are to be used as type-indexes.  Moreover,
4037         the argument names must be class parameters.  Each class parameter may
4038         only be used at most once per associated type, but some may be omitted
4039         and they may be in an order other than in the class head.  Hence, the
4040         following contrived example is admissible: 
4041 <programlisting>
4042   class C a b c where
4043   data T c a :: *
4044 </programlisting>
4045       </para>
4046     </sect4>
4047   </sect3>
4048
4049   <sect3 id="data-instance-declarations"> 
4050     <title>Data instance declarations</title>
4051
4052     <para>
4053       Instance declarations of data and newtype families are very similar to
4054       standard data and newtype declarations.  The only two differences are
4055       that the keyword <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>
4056       is followed by <literal>instance</literal> and that some or all of the
4057       type arguments can be non-variable types, but may not contain forall
4058       types or type synonym families.  However, data families are generally
4059       allowed in type parameters, and type synonyms are allowed as long as
4060       they are fully applied and expand to a type that is itself admissible -
4061       exactly as this is required for occurrences of type synonyms in class
4062       instance parameters.  For example, the <literal>Either</literal>
4063       instance for <literal>GMap</literal> is 
4064 <programlisting>
4065 data instance GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4066 </programlisting>
4067       In this example, the declaration has only one variant.  In general, it
4068       can be any number.
4069     </para>
4070     <para>
4071       Data and newtype instance declarations are only permitted when an
4072       appropriate family declaration is in scope - just as a class instance declaratoin
4073       requires the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4074       declaration has to conform to the kind determined by its family
4075       declaration.  This implies that the number of parameters of an instance
4076       declaration matches the arity determined by the kind of the family.
4077     </para>
4078     <para>
4079       A data family instance declaration can use the full exprssiveness of
4080       ordinary <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declarations:
4081       <itemizedlist>
4082       <listitem><para> Although, a data family is <emphasis>introduced</emphasis> with
4083       the keyword "<literal>data</literal>", a data family <emphasis>instance</emphasis> can 
4084       use either <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>. For example:
4085 <programlisting>
4086 data family T a
4087 data    instance T Int  = T1 Int | T2 Bool
4088 newtype instance T Char = TC Bool
4089 </programlisting>
4090       </para></listitem>
4091       <listitem><para> A <literal>data instance</literal> can use GADT syntax for the data constructors,
4092       and indeed can define a GADT.  For example:
4093 <programlisting>
4094 data family G a b
4095 data instance G [a] b where
4096    G1 :: c -> G [Int] b
4097    G2 :: G [a] Bool
4098 </programlisting>
4099       </para></listitem>
4100       <listitem><para> You can use a <literal>deriving</literal> clause on a
4101       <literal>data instance</literal> or <literal>newtype instance</literal>
4102       declaration.
4103       </para></listitem>
4104       </itemizedlist>
4105     </para>
4106
4107     <para>
4108       Even if type families are defined as toplevel declarations, functions
4109       that perform different computations for different family instances may still
4110       need to be defined as methods of type classes.  In particular, the
4111       following is not possible: 
4112 <programlisting>
4113 data family T a
4114 data instance T Int  = A
4115 data instance T Char = B
4116 foo :: T a -> Int
4117 foo A = 1             -- WRONG: These two equations together...
4118 foo B = 2             -- ...will produce a type error.
4119 </programlisting>
4120 Instead, you would have to write <literal>foo</literal> as a class operation, thus:
4121 <programlisting>
4122 class C a where 
4123   foo :: T a -> Int
4124 instance Foo Int where
4125   foo A = 1
4126 instance Foo Char where
4127   foo B = 2
4128 </programlisting>
4129       (Given the functionality provided by GADTs (Generalised Algebraic Data
4130       Types), it might seem as if a definition, such as the above, should be
4131       feasible.  However, type families are - in contrast to GADTs - are
4132       <emphasis>open;</emphasis> i.e., new instances can always be added,
4133       possibly in other 
4134       modules.  Supporting pattern matching across different data instances
4135       would require a form of extensible case construct.)
4136     </para>
4137
4138     <sect4 id="assoc-data-inst">
4139       <title>Associated data instances</title>
4140       <para>
4141         When an associated data family instance is declared within a type
4142         class instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the
4143         family instance.  So, the <literal>Either</literal> instance
4144         for <literal>GMap</literal> becomes: 
4145 <programlisting>
4146 instance (GMapKey a, GMapKey b) => GMapKey (Either a b) where
4147   data GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4148   ...
4149 </programlisting>
4150         The most important point about associated family instances is that the
4151         type indexes corresponding to class parameters must be identical to
4152         the type given in the instance head; here this is the first argument
4153         of <literal>GMap</literal>, namely <literal>Either a b</literal>,
4154         which coincides with the only class parameter.  Any parameters to the
4155         family constructor that do not correspond to class parameters, need to
4156         be variables in every instance; here this is the
4157         variable <literal>v</literal>. 
4158       </para>
4159       <para>
4160         Instances for an associated family can only appear as part of
4161         instances declarations of the class in which the family was declared -
4162         just as with the equations of the methods of a class.  Also in
4163         correspondence to how methods are handled, declarations of associated
4164         types can be omitted in class instances.  If an associated family
4165         instance is omitted, the corresponding instance type is not inhabited;
4166         i.e., only diverging expressions, such
4167         as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4168       </para>
4169     </sect4>
4170
4171     <sect4 id="scoping-class-params">
4172       <title>Scoping of class parameters</title>
4173       <para>
4174         In the case of multi-parameter type classes, the visibility of class
4175         parameters in the right-hand side of associated family instances
4176         depends <emphasis>solely</emphasis> on the parameters of the data
4177         family.  As an example, consider the simple class declaration 
4178 <programlisting>
4179 class C a b where
4180   data T a
4181 </programlisting>
4182         Only one of the two class parameters is a parameter to the data
4183         family.  Hence, the following instance declaration is invalid: 
4184 <programlisting>
4185 instance C [c] d where
4186   data T [c] = MkT (c, d)    -- WRONG!!  'd' is not in scope
4187 </programlisting>
4188         Here, the right-hand side of the data instance mentions the type
4189         variable <literal>d</literal> that does not occur in its left-hand
4190         side.  We cannot admit such data instances as they would compromise
4191         type safety. 
4192       </para>
4193     </sect4>
4194
4195     <sect4 id="family-class-inst">
4196       <title>Type class instances of family instances</title>
4197       <para>
4198         Type class instances of instances of data families can be defined as
4199         usual, and in particular data instance declarations can
4200         have <literal>deriving</literal> clauses.  For example, we can write 
4201 <programlisting>
4202 data GMap () v = GMapUnit (Maybe v)
4203                deriving Show
4204 </programlisting>
4205         which implicitly defines an instance of the form
4206 <programlisting>
4207 instance Show v => Show (GMap () v) where ...
4208 </programlisting>
4209       </para>
4210       <para>
4211         Note that class instances are always for
4212         particular <emphasis>instances</emphasis> of a data family and never
4213         for an entire family as a whole.  This is for essentially the same
4214         reasons that we cannot define a toplevel function that performs
4215         pattern matching on the data constructors
4216         of <emphasis>different</emphasis> instances of a single type family.
4217         It would require a form of extensible case construct. 
4218       </para>
4219     </sect4>
4220
4221     <sect4 id="data-family-overlap">
4222       <title>Overlap of data instances</title>
4223       <para>
4224         The instance declarations of a data family used in a single program
4225         may not overlap at all, independent of whether they are associated or
4226         not.  In contrast to type class instances, this is not only a matter
4227         of consistency, but one of type safety. 
4228       </para>
4229     </sect4>
4230
4231   </sect3>
4232
4233   <sect3 id="data-family-import-export">
4234     <title>Import and export</title>
4235
4236     <para>
4237       The association of data constructors with type families is more dynamic
4238       than that is the case with standard data and newtype declarations.  In
4239       the standard case, the notation <literal>T(..)</literal> in an import or
4240       export list denotes the type constructor and all the data constructors
4241       introduced in its declaration.  However, a family declaration never
4242       introduces any data constructors; instead, data constructors are
4243       introduced by family instances.  As a result, which data constructors
4244       are associated with a type family depends on the currently visible
4245       instance declarations for that family.  Consequently, an import or
4246       export item of the form <literal>T(..)</literal> denotes the family
4247       constructor and all currently visible data constructors - in the case of
4248       an export item, these may be either imported or defined in the current
4249       module.  The treatment of import and export items that explicitly list
4250       data constructors, such as <literal>GMap(GMapEither)</literal>, is
4251       analogous. 
4252     </para>
4253
4254     <sect4 id="data-family-impexp-assoc">
4255       <title>Associated families</title>
4256       <para>
4257         As expected, an import or export item of the
4258         form <literal>C(..)</literal> denotes all of the class' methods and
4259         associated types.  However, when associated types are explicitly
4260         listed as subitems of a class, we need some new syntax, as uppercase
4261         identifiers as subitems are usually data constructors, not type
4262         constructors.  To clarify that we denote types here, each associated
4263         type name needs to be prefixed by the keyword <literal>type</literal>.
4264         So for example, when explicitly listing the components of
4265         the <literal>GMapKey</literal> class, we write <literal>GMapKey(type
4266         GMap, empty, lookup, insert)</literal>. 
4267       </para>
4268     </sect4>
4269
4270     <sect4 id="data-family-impexp-examples">
4271       <title>Examples</title>
4272       <para>
4273         Assuming our running <literal>GMapKey</literal> class example, let us
4274         look at some export lists and their meaning: 
4275         <itemizedlist>
4276           <listitem>
4277             <para><literal>module GMap (GMapKey) where...</literal>: Exports
4278               just the class name.</para>
4279           </listitem>
4280           <listitem>
4281             <para><literal>module GMap (GMapKey(..)) where...</literal>:
4282               Exports the class, the associated type <literal>GMap</literal>
4283               and the member
4284               functions <literal>empty</literal>, <literal>lookup</literal>,
4285               and <literal>insert</literal>.  None of the data constructors is 
4286               exported.</para>
4287           </listitem> 
4288           <listitem>
4289             <para><literal>module GMap (GMapKey(..), GMap(..))
4290                 where...</literal>: As before, but also exports all the data
4291               constructors <literal>GMapInt</literal>, 
4292               <literal>GMapChar</literal>,  
4293               <literal>GMapUnit</literal>, <literal>GMapPair</literal>,
4294               and <literal>GMapUnit</literal>.</para>
4295           </listitem>
4296           <listitem>
4297             <para><literal>module GMap (GMapKey(empty, lookup, insert),
4298             GMap(..)) where...</literal>: As before.</para>
4299           </listitem>
4300           <listitem>
4301             <para><literal>module GMap (GMapKey, empty, lookup, insert, GMap(..))
4302                 where...</literal>: As before.</para>
4303           </listitem>
4304         </itemizedlist>
4305       </para>
4306       <para>
4307         Finally, you can write <literal>GMapKey(type GMap)</literal> to denote
4308         both the class <literal>GMapKey</literal> as well as its associated
4309         type <literal>GMap</literal>.  However, you cannot
4310         write <literal>GMapKey(type GMap(..))</literal> &mdash; i.e.,
4311         sub-component specifications cannot be nested.  To
4312         specify <literal>GMap</literal>'s data constructors, you have to list
4313         it separately. 
4314       </para>
4315     </sect4>
4316
4317     <sect4 id="data-family-impexp-instances">
4318       <title>Instances</title>
4319       <para>
4320         Family instances are implicitly exported, just like class instances.
4321         However, this applies only to the heads of instances, not to the data
4322         constructors an instance defines. 
4323       </para>
4324     </sect4>
4325
4326   </sect3>
4327
4328 </sect2>
4329
4330 <sect2 id="synonym-families">
4331   <title>Synonym families</title>
4332
4333   <para>
4334     Type families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4335     toplevel or (2) they can appear inside type classes (in which case they
4336     are known as associated type synonyms).  The former is the more general
4337     variant, as it lacks the requirement for the type-indexes to coincide with
4338     the class parameters.  However, the latter can lead to more clearly
4339     structured code and compiler warnings if some type instances were -
4340     possibly accidentally - omitted.  In the following, we always discuss the
4341     general toplevel form first and then cover the additional constraints
4342     placed on associated types.
4343   </para>
4344
4345   <sect3 id="type-family-declarations">
4346     <title>Type family declarations</title>
4347
4348     <para>
4349       Indexed type families are introduced by a signature, such as 
4350 <programlisting>
4351 type family Elem c :: *
4352 </programlisting>
4353       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4354       type declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4355       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is 
4356 <programlisting>
4357 type family Elem c
4358 </programlisting>
4359       Parameters can also be given explicit kind signatures if needed.  We
4360       call the number of parameters in a type family declaration, the family's
4361       arity, and all applications of a type family must be fully saturated
4362       w.r.t. to that arity.  This requirement is unlike ordinary type synonyms
4363       and it implies that the kind of a type family is not sufficient to
4364       determine a family's arity, and hence in general, also insufficient to
4365       determine whether a type family application is well formed.  As an
4366       example, consider the following declaration: 
4367 <programlisting>
4368 type family F a b :: * -> *   -- F's arity is 2, 
4369                               -- although its overall kind is * -> * -> * -> *
4370 </programlisting>
4371       Given this declaration the following are examples of well-formed and
4372       malformed types: 
4373 <programlisting>
4374 F Char [Int]       -- OK!  Kind: * -> *
4375 F Char [Int] Bool  -- OK!  Kind: *
4376 F IO Bool          -- WRONG: kind mismatch in the first argument
4377 F Bool             -- WRONG: unsaturated application
4378 </programlisting>
4379       </para>
4380
4381     <sect4 id="assoc-type-family-decl">
4382       <title>Associated type family declarations</title>
4383       <para>
4384         When a type family is declared as part of a type class, we drop
4385         the <literal>family</literal> special.  The <literal>Elem</literal>
4386         declaration takes the following form 
4387 <programlisting>
4388 class Collects ce where
4389   type Elem ce :: *
4390   ...
4391 </programlisting>
4392         The argument names of the type family must be class parameters.  Each
4393         class parameter may only be used at most once per associated type, but
4394         some may be omitted and they may be in an order other than in the
4395         class head.  Hence, the following contrived example is admissible: 
4396 <programlisting>
4397 class C a b c where
4398   type T c a :: *
4399 </programlisting>
4400         These rules are exactly as for associated data families.
4401       </para>
4402     </sect4>
4403   </sect3>
4404
4405   <sect3 id="type-instance-declarations">
4406     <title>Type instance declarations</title>
4407     <para>
4408       Instance declarations of type families are very similar to standard type
4409       synonym declarations.  The only two differences are that the
4410       keyword <literal>type</literal> is followed
4411       by <literal>instance</literal> and that some or all of the type
4412       arguments can be non-variable types, but may not contain forall types or
4413       type synonym families. However, data families are generally allowed, and
4414       type synonyms are allowed as long as they are fully applied and expand
4415       to a type that is admissible - these are the exact same requirements as
4416       for data instances.  For example, the <literal>[e]</literal> instance
4417       for <literal>Elem</literal> is 
4418 <programlisting>
4419 type instance Elem [e] = e
4420 </programlisting>
4421     </para>
4422     <para>
4423       Type family instance declarations are only legitimate when an
4424       appropriate family declaration is in scope - just like class instances
4425       require the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4426       declaration has to conform to the kind determined by its family
4427       declaration, and the number of type parameters in an instance
4428       declaration must match the number of type parameters in the family
4429       declaration.   Finally, the right-hand side of a type instance must be a
4430       monotype (i.e., it may not include foralls) and after the expansion of
4431       all saturated vanilla type synonyms, no synonyms, except family synonyms
4432       may remain.  Here are some examples of admissible and illegal type
4433       instances: 
4434 <programlisting>
4435 type family F a :: *
4436 type instance F [Int]              = Int         -- OK!
4437 type instance F String             = Char        -- OK!
4438 type instance F (F a)              = a           -- WRONG: type parameter mentions a type family
4439 type instance F (forall a. (a, b)) = b           -- WRONG: a forall type appears in a type parameter
4440 type instance F Float              = forall a.a  -- WRONG: right-hand side may not be a forall type
4441
4442 type family G a b :: * -> *
4443 type instance G Int            = (,)     -- WRONG: must be two type parameters
4444 type instance G Int Char Float = Double  -- WRONG: must be two type parameters
4445 </programlisting>
4446     </para>
4447
4448     <sect4 id="assoc-type-instance">
4449       <title>Associated type instance declarations</title>
4450       <para>
4451         When an associated family instance is declared within a type class
4452         instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the family
4453         instance.  So, the <literal>[e]</literal> instance
4454         for <literal>Elem</literal> becomes: 
4455 <programlisting>
4456 instance (Eq (Elem [e])) => Collects ([e]) where
4457   type Elem [e] = e
4458   ...
4459 </programlisting>
4460         The most important point about associated family instances is that the
4461         type indexes corresponding to class parameters must be identical to the
4462         type given in the instance head; here this is <literal>[e]</literal>,
4463         which coincides with the only class parameter. 
4464       </para>
4465       <para>
4466         Instances for an associated family can only appear as part of  instances
4467         declarations of the class in which the family was declared - just as
4468         with the equations of the methods of a class.  Also in correspondence to
4469         how methods are handled, declarations of associated types can be omitted
4470         in class instances.  If an associated family instance is omitted, the
4471         corresponding instance type is not inhabited; i.e., only diverging
4472         expressions, such as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4473       </para>
4474     </sect4>
4475
4476     <sect4 id="type-family-overlap">
4477       <title>Overlap of type synonym instances</title>
4478       <para>
4479         The instance declarations of a type family used in a single program
4480         may only overlap if the right-hand sides of the overlapping instances
4481         coincide for the overlapping types.  More formally, two instance
4482         declarations overlap if there is a substitution that makes the
4483         left-hand sides of the instances syntactically the same.  Whenever
4484         that is the case, the right-hand sides of the instances must also be
4485         syntactically equal under the same substitution.  This condition is
4486         independent of whether the type family is associated or not, and it is
4487         not only a matter of consistency, but one of type safety. 
4488       </para>
4489       <para>
4490         Here are two example to illustrate the condition under which overlap
4491         is permitted. 
4492 <programlisting>
4493 type instance F (a, Int) = [a]
4494 type instance F (Int, b) = [b]   -- overlap permitted
4495
4496 type instance G (a, Int)  = [a]
4497 type instance G (Char, a) = [a]  -- ILLEGAL overlap, as [Char] /= [Int]
4498 </programlisting>
4499       </para>
4500     </sect4>
4501
4502     <sect4 id="type-family-decidability">
4503       <title>Decidability of type synonym instances</title>
4504       <para>
4505         In order to guarantee that type inference in the presence of type
4506         families decidable, we need to place a number of additional
4507         restrictions on the formation of type instance declarations (c.f.,
4508         Definition 5 (Relaxed Conditions) of &ldquo;<ulink 
4509         url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4510           Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;).  Instance
4511           declarations have the general form 
4512 <programlisting>
4513 type instance F t1 .. tn = t
4514 </programlisting>
4515         where we require that for every type family application <literal>(G s1
4516         .. sm)</literal> in <literal>t</literal>,  
4517         <orderedlist>
4518           <listitem>
4519             <para><literal>s1 .. sm</literal> do not contain any type family
4520             constructors,</para>
4521           </listitem>
4522           <listitem>
4523             <para>the total number of symbols (data type constructors and type
4524             variables) in <literal>s1 .. sm</literal> is strictly smaller than
4525             in <literal>t1 .. tn</literal>, and</para> 
4526           </listitem>
4527           <listitem>
4528             <para>for every type
4529             variable <literal>a</literal>, <literal>a</literal> occurs
4530             in <literal>s1 .. sm</literal> at most as often as in <literal>t1
4531             .. tn</literal>.</para>
4532           </listitem>
4533         </orderedlist>
4534         These restrictions are easily verified and ensure termination of type
4535         inference.  However, they are not sufficient to guarantee completeness
4536         of type inference in the presence of, so called, ''loopy equalities'',
4537         such as <literal>a ~ [F a]</literal>, where a recursive occurrence of
4538         a type variable is underneath a family application and data
4539         constructor application - see the above mentioned paper for details.   
4540       </para>
4541       <para>
4542         If the option <option>-XUndecidableInstances</option> is passed to the
4543         compiler, the above restrictions are not enforced and it is on the
4544         programmer to ensure termination of the normalisation of type families
4545         during type inference. 
4546       </para>
4547     </sect4>
4548   </sect3>
4549
4550   <sect3 id-="equality-constraints">
4551     <title>Equality constraints</title>
4552     <para>
4553       Type context can include equality constraints of the form <literal>t1 ~
4554       t2</literal>, which denote that the types <literal>t1</literal>
4555       and <literal>t2</literal> need to be the same.  In the presence of type
4556       families, whether two types are equal cannot generally be decided
4557       locally.  Hence, the contexts of function signatures may include
4558       equality constraints, as in the following example: 
4559 <programlisting>
4560 sumCollects :: (Collects c1, Collects c2, Elem c1 ~ Elem c2) => c1 -> c2 -> c2
4561 </programlisting>
4562       where we require that the element type of <literal>c1</literal>
4563       and <literal>c2</literal> are the same.  In general, the
4564       types <literal>t1</literal> and <literal>t2</literal> of an equality
4565       constraint may be arbitrary monotypes; i.e., they may not contain any
4566       quantifiers, independent of whether higher-rank types are otherwise
4567       enabled. 
4568     </para>
4569     <para>
4570       Equality constraints can also appear in class and instance contexts.
4571       The former enable a simple translation of programs using functional
4572       dependencies into programs using family synonyms instead.  The general
4573       idea is to rewrite a class declaration of the form 
4574 <programlisting>
4575 class C a b | a -> b
4576 </programlisting>
4577       to
4578 <programlisting>
4579 class (F a ~ b) => C a b where
4580   type F a
4581 </programlisting>
4582       That is, we represent every functional dependency (FD) <literal>a1 .. an
4583       -> b</literal> by an FD type family <literal>F a1 .. an</literal> and a
4584       superclass context equality <literal>F a1 .. an ~ b</literal>,
4585       essentially giving a name to the functional dependency.  In class
4586       instances, we define the type instances of FD families in accordance
4587       with the class head.  Method signatures are not affected by that
4588       process. 
4589     </para>
4590     <para>
4591       NB: Equalities in superclass contexts are not fully implemented in
4592       GHC 6.10. 
4593     </para>
4594   </sect3>
4595
4596   <sect3 id-="ty-fams-in-instances">
4597     <title>Type families and instance declarations</title>
4598     <para>Type families require us to extend the rules for 
4599       the form of instance heads, which are given 
4600       in <xref linkend="flexible-instance-head"/>.
4601       Specifically:
4602 <itemizedlist>
4603  <listitem><para>Data type families may appear in an instance head</para></listitem>
4604  <listitem><para>Type synonym families may not appear (at all) in an instance head</para></listitem>
4605 </itemizedlist>
4606 The reason for the latter restriction is that there is no way to check for. Consider
4607 <programlisting>
4608    type family F a
4609    type instance F Bool = Int
4610
4611    class C a
4612
4613    instance C Int
4614    instance C (F a)
4615 </programlisting>
4616 Now a constraint <literal>(C (F Bool))</literal> would match both instances.
4617 The situation is especially bad because the type instance for <literal>F Bool</literal>
4618 might be in another module, or even in a module that is not yet written.
4619 </para>
4620 </sect3>
4621 </sect2>
4622
4623 </sect1>
4624
4625 <sect1 id="other-type-extensions">
4626 <title>Other type system extensions</title>
4627
4628 <sect2 id="type-restrictions">
4629 <title>Type signatures</title>
4630
4631 <sect3 id="flexible-contexts"><title>The context of a type signature</title>
4632 <para>
4633 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag lifts the Haskell 98 restriction
4634 that the type-class constraints in a type signature must have the 
4635 form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
4636 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>. 
4637 With <option>-XFlexibleContexts</option>
4638 these type signatures are perfectly OK
4639 <programlisting>
4640   g :: Eq [a] => ...
4641   g :: Ord (T a ()) => ...
4642 </programlisting>
4643 </para>
4644 <para>
4645 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
4646 Consider the type:
4647
4648 <programlisting>
4649   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
4650 </programlisting>
4651
4652 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
4653 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
4654 explicit source-language type signature are universally quantified,
4655 except for the class type variables in a class declaration.  However,
4656 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
4657 </para>
4658
4659 <para>
4660
4661 <orderedlist>
4662 <listitem>
4663
4664 <para>
4665  <emphasis>Each universally quantified type variable
4666 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
4667
4668 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it appears
4669 in the same constraint as either a type variable free in
4670 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
4671 A value with a type that does not obey 
4672 this reachability restriction cannot be used without introducing
4673 ambiguity; that is why the type is rejected.
4674 Here, for example, is an illegal type:
4675
4676
4677 <programlisting>
4678   forall a. Eq a => Int
4679 </programlisting>
4680
4681
4682 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
4683 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
4684 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
4685 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
4686 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
4687 get any more information about <literal>tv</literal>.
4688 </para>
4689 <para>
4690 Note
4691 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
4692 functionally dependent on a type variable free in
4693 <literal>type</literal> (see <xref
4694 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
4695 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
4696 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
4697 For example, consider:
4698 <programlisting>
4699   class C a b | a -> b where ...
4700   class C a b => D a b where ...
4701   f :: forall a b. D a b => a -> a
4702 </programlisting>
4703 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
4704 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
4705 </para>
4706 </listitem>
4707 <listitem>
4708
4709 <para>
4710  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
4711 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
4712
4713 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
4714 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
4715
4716
4717 <programlisting>
4718   forall a. C a b => burble
4719 </programlisting>
4720
4721
4722 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
4723 mention <literal>a</literal>:
4724
4725
4726 <programlisting>
4727   forall a. Eq b => burble
4728 </programlisting>
4729
4730
4731 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
4732 excluded types are never useful or necessary (because the offending
4733 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
4734 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
4735 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
4736 territory free in case we need it later.
4737
4738 </para>
4739 </listitem>
4740
4741 </orderedlist>
4742
4743 </para>
4744 </sect3>
4745
4746
4747
4748 </sect2>
4749
4750 <sect2 id="implicit-parameters">
4751 <title>Implicit parameters</title>
4752
4753 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
4754 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
4755 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
4756 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
4757 Boston, Jan 2000.
4758 </para>
4759
4760 <para>(Most of the following, still rather incomplete, documentation is
4761 due to Jeff Lewis.)</para>
4762
4763 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
4764 <option>-XImplicitParams</option>.</para>
4765
4766 <para>
4767 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
4768 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
4769 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
4770 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
4771 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
4772 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
4773 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
4774 only support static scoping of variables.
4775 </para>
4776 <para>
4777 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
4778 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
4779 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
4780 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
4781 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
4782 of type <literal>t'</literal>". For
4783 example, the following expresses the type of a sort function,
4784 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
4785 <programlisting>
4786   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4787 </programlisting>
4788 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
4789 </para>
4790 <para>
4791 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
4792 where <literal>x</literal> is
4793 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
4794 Use of this construct also introduces a new
4795 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
4796 For example, the following definition
4797 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
4798 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
4799 <programlisting>
4800   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
4801
4802   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4803   sort    = sortBy ?cmp
4804 </programlisting>
4805 </para>
4806
4807 <sect3>
4808 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
4809 <para>
4810 Dynamic binding constraints behave just like other type class
4811 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
4812 function is used, its implicit parameters are inherited by the
4813 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
4814 to pick out the least value in a list:
4815 <programlisting>
4816   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
4817   least xs = head (sort xs)
4818 </programlisting>
4819 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
4820 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
4821 parameters, the default is that parameters must always be explicit
4822 propagated. With implicit parameters, the default is to always
4823 propagate them.
4824 </para>
4825 <para>
4826 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
4827 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
4828 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
4829 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
4830 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
4831 class constraints.
4832 </para>
4833
4834 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
4835 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
4836 <programlisting>
4837   class (?x::Int) => C a where ...
4838   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
4839 </programlisting>
4840 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
4841 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
4842 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
4843 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
4844 <para>
4845 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
4846 <programlisting>
4847    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
4848    f n = n + length ?x
4849
4850    g :: (Read a, Show a) => String -> String
4851    g s = show (read s)
4852 </programlisting>
4853 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
4854 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
4855 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
4856 </para>
4857 </sect3>
4858
4859 <sect3>
4860 <title>Implicit-parameter bindings</title>
4861
4862 <para>
4863 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
4864 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
4865 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
4866 <literal>cmp</literal>.
4867 <programlisting>
4868   min :: [a] -> a
4869   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
4870 </programlisting>
4871 </para>
4872 <para>
4873 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
4874 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
4875 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
4876 or a <literal>where</literal> clause.
4877 Note the following points:
4878 <itemizedlist>
4879 <listitem><para>
4880 An implicit-parameter binding group must be a
4881 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
4882 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
4883 neither polymorphic or recursive.  
4884 </para></listitem>
4885 <listitem><para>
4886 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
4887 single <literal>let</literal>
4888 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
4889 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
4890 </para></listitem>
4891
4892 <listitem><para>
4893 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
4894 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
4895 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
4896 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
4897 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
4898 the meaning of the program.
4899 For example, consider:
4900 <programlisting>
4901   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
4902 </programlisting>
4903 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
4904 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
4905 <programlisting>
4906   f :: (?x::Int) => Int -> Int
4907 </programlisting>
4908 </para></listitem>
4909 </itemizedlist>
4910 </para>
4911
4912 </sect3>
4913
4914 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
4915
4916 <para>
4917 Consider these two definitions:
4918 <programlisting>
4919   len1 :: [a] -> Int
4920   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
4921
4922   len_acc1 [] = ?acc
4923   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
4924
4925   ------------
4926
4927   len2 :: [a] -> Int
4928   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
4929
4930   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
4931   len_acc2 [] = ?acc
4932   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
4933 </programlisting>
4934 The only difference between the two groups is that in the second group
4935 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
4936 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
4937 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
4938 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
4939 has a type signature, the recursive call is made to the
4940 <emphasis>polymorphic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
4941 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
4942 <programlisting>
4943   Prog> len1 "hello"
4944   0
4945   Prog> len2 "hello"
4946   5
4947 </programlisting>
4948 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
4949 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
4950 </para>
4951 </sect3>
4952
4953 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
4954
4955 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
4956 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
4957 <programlisting>
4958  f :: Int -> Int
4959   f v = let ?x = 0     in
4960         let y = ?x + v in
4961         let ?x = 5     in
4962         y
4963 </programlisting>
4964 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
4965 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
4966 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
4967 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
4968 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
4969 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
4970 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
4971 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
4972 <literal>14</literal>.
4973 </para>
4974 </sect3>
4975 </sect2>
4976
4977     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
4978
4979     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
4980     them from the 6.6 user manual
4981
4982 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
4983 <title>Linear implicit parameters</title>
4984 <para>
4985 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
4986 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
4987 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
4988 </para>
4989 <itemizedlist>
4990 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
4991 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
4992 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
4993 </itemizedlist>
4994
4995 <para>
4996 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
4997 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
4998 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
4999 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
5000 (The '/' in the '%' suggests the split!)
5001 </para>
5002 <para>
5003 For example:
5004 <programlisting>
5005     import GHC.Exts( Splittable )
5006
5007     data NameSupply = ...
5008     
5009     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
5010     newName :: NameSupply -> Name
5011
5012     instance Splittable NameSupply where
5013         split = splitNS
5014
5015
5016     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5017     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5018                     where
5019                       x'   = newName %ns
5020                       env' = extend env x x'
5021     ...more equations for f...
5022 </programlisting>
5023 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
5024 <itemizedlist>
5025 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
5026 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
5027 </itemizedlist>
5028 </para>
5029 <para>
5030 So the translation done by the type checker makes
5031 the parameter explicit:
5032 <programlisting>
5033     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
5034     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
5035                        where
5036                          (ns1,ns2) = splitNS ns
5037                          x' = newName ns2
5038                          env = extend env x x'
5039 </programlisting>
5040 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
5041 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
5042 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
5043 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
5044 <programlisting>
5045         class Splittable a where
5046           split :: a -> (a,a)
5047 </programlisting>
5048 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
5049 split for name supplies.  But we can simply write
5050 <programlisting>
5051         g x = (x, %ns, %ns)
5052 </programlisting>
5053 and GHC will infer
5054 <programlisting>
5055         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
5056 </programlisting>
5057 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
5058 <literal>GHC.Exts</literal>.
5059 </para>
5060 <para>
5061 Other points:
5062 <itemizedlist>
5063 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
5064 are entirely distinct implicit parameters: you 
5065   can use them together and they won't interfere with each other. </para>
5066 </listitem>
5067
5068 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
5069
5070 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
5071   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
5072 </itemizedlist>
5073 </para>
5074
5075 <sect3><title>Warnings</title>
5076
5077 <para>
5078 The monomorphism restriction is even more important than usual.
5079 Consider the example above:
5080 <programlisting>
5081     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5082     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5083                     where
5084                       x'   = newName %ns
5085                       env' = extend env x x'
5086 </programlisting>
5087 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
5088 usually a harmless thing to do, we get:
5089 <programlisting>
5090     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5091     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
5092                     where
5093                       env' = extend env x (newName %ns)
5094 </programlisting>
5095 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
5096 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
5097 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
5098 the beta rule.
5099 </para>
5100 <para>
5101 Well, this is an experimental change.  With implicit
5102 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
5103 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
5104 Haskell programs without knowing their typing.
5105 </para>
5106
5107 </sect3>
5108
5109 <sect3><title>Recursive functions</title>
5110 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
5111 Consider
5112 <programlisting>
5113         foo :: %x::T => Int -> [Int]
5114         foo 0 = []
5115         foo n = %x : foo (n-1)
5116 </programlisting>
5117 where T is some type in class Splittable.</para>
5118 <para>
5119 Do you get a list of all the same T's or all different T's
5120 (assuming that split gives two distinct T's back)?
5121 </para><para>
5122 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
5123 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
5124 translated term, where the implicit param is made explicit:
5125 <programlisting>
5126         foo x 0 = []
5127         foo x n = let (x1,x2) = split x
5128                   in x1 : foo x2 (n-1)
5129 </programlisting>
5130 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
5131 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
5132 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
5133 work.  So the translation becomes
5134 <programlisting>
5135         foo x = let
5136                   foom 0 = []
5137                   foom n = x : foom (n-1)
5138                 in
5139                 foom
5140 </programlisting>
5141 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
5142 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
5143 Yikes!
5144 </para><para>
5145 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
5146 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
5147 </para>
5148 </sect3>
5149
5150 </sect2>
5151
5152 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
5153
5154 <sect2 id="kinding">
5155 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
5156
5157 <para>
5158 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
5159 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
5160 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
5161 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
5162 John Hughes had to define the data type:
5163 <screen>
5164      data Set cxt a = Set [a]
5165                     | Unused (cxt a -> ())
5166 </screen>
5167 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
5168 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
5169 </para>
5170 <para>
5171 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
5172 a type variable is explicitly bound, with the flag <option>-XKindSignatures</option>.
5173 </para>
5174 <para>
5175 This flag enables kind signatures in the following places:
5176 <itemizedlist>
5177 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
5178 <screen>
5179   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
5180 </screen></para></listitem>
5181 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
5182 <screen>
5183   type T (f :: * -> *) = f Int
5184 </screen></para></listitem>
5185 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
5186 <screen>
5187   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
5188 </screen></para></listitem>
5189 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
5190 <screen>
5191   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
5192 </screen></para></listitem>
5193 </itemizedlist>
5194 </para>
5195
5196 <para>
5197 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
5198 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
5199 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
5200 single lexeme in Haskell.
5201 </para>
5202
5203 <para>
5204 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
5205 as well.  Thus:
5206 <screen>
5207    f :: (Int :: *) -> Int
5208    g :: forall a. a -> (a :: *)
5209 </screen>
5210 The syntax is
5211 <screen>
5212    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
5213 </screen>
5214 The parentheses are required.
5215 </para>
5216 </sect2>
5217
5218
5219 <sect2 id="universal-quantification">
5220 <title>Arbitrary-rank polymorphism
5221 </title>
5222
5223 <para>
5224 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
5225 allows us to say exactly what this means.  For example:
5226 </para>
5227 <para>
5228 <programlisting>
5229         g :: b -> b
5230 </programlisting>
5231 means this:
5232 <programlisting>
5233         g :: forall b. (b -> b)
5234 </programlisting>
5235 The two are treated identically.
5236 </para>
5237
5238 <para>
5239 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
5240 explicit universal quantification in
5241 types. 
5242 For example, all the following types are legal:
5243 <programlisting>
5244     f1 :: forall a b. a -> b -> a
5245     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
5246
5247     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
5248     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
5249
5250     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
5251
5252     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
5253 </programlisting>
5254 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
5255 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
5256 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
5257 is implicitly added by Haskell.
5258 </para>
5259 <para>
5260 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
5261 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
5262 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
5263 </para>
5264 <para>
5265 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
5266 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
5267 </para>
5268 <para>
5269 GHC has three flags to control higher-rank types:
5270 <itemizedlist>
5271 <listitem><para>
5272  <option>-XPolymorphicComponents</option>: data constructors (only) can have polymorphic argument types.
5273 </para></listitem>
5274 <listitem><para>
5275  <option>-XRank2Types</option>: any function (including data constructors) can have a rank-2 type.
5276 </para></listitem>
5277 <listitem><para>
5278  <option>-XRankNTypes</option>: any function (including data constructors) can have an arbitrary-rank type.
5279 That is,  you can nest <literal>forall</literal>s
5280 arbitrarily deep in function arrows.
5281 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
5282 including an operational type class context, is legal:
5283 <itemizedlist>
5284 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
5285 of a function arrow </para> </listitem>
5286 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
5287 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
5288 field type signatures.</para> </listitem>
5289 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
5290 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
5291 </itemizedlist>
5292 </para></listitem>
5293 </itemizedlist>
5294 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
5295 a type variable any more!
5296 </para>
5297
5298
5299 <sect3 id="univ">
5300 <title>Examples
5301 </title>
5302
5303 <para>
5304 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
5305 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
5306 </para>
5307
5308 <para>
5309
5310 <programlisting>
5311 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
5312
5313 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
5314                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
5315                         }
5316
5317 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
5318 </programlisting>
5319
5320 </para>
5321
5322 <para>
5323 The constructors have rank-2 types:
5324 </para>
5325
5326 <para>
5327
5328 <programlisting>
5329 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
5330 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
5331                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
5332                   -> MonadT m
5333 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
5334 </programlisting>
5335
5336 </para>
5337
5338 <para>
5339 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
5340 explicit context.  For example in the first argument of the
5341 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
5342 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
5343 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
5344 mentioned in the type quantified over.
5345 </para>
5346
5347 <para>
5348 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
5349 types too.  So if you write this:
5350
5351 <programlisting>
5352   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
5353 </programlisting>
5354
5355 it's just as if you had written this:
5356
5357 <programlisting>
5358   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
5359 </programlisting>
5360
5361 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
5362 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
5363 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
5364 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
5365 </para>
5366
5367 <para>
5368 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
5369 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
5370 </para>
5371
5372 <para>
5373
5374 <programlisting>
5375     a1 :: T Int
5376     a1 = T1 (\xy->x) 3
5377     
5378     a2, a3 :: Swizzle
5379     a2 = MkSwizzle sort
5380     a3 = MkSwizzle reverse
5381     
5382     a4 :: MonadT Maybe
5383     a4 = let r x = Just x
5384              b m k = case m of
5385                        Just y -> k y
5386                        Nothing -> Nothing
5387          in
5388          MkMonad r b
5389
5390     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
5391     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
5392 </programlisting>
5393
5394 </para>
5395
5396 <para>
5397 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
5398 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
5399 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
5400 </para>
5401
5402 <para>
5403 When you use pattern matching, the bound variables may now have
5404 polymorphic types.  For example:
5405 </para>
5406
5407 <para>
5408
5409 <programlisting>
5410     f :: T a -> a -> (a, Char)
5411     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5412
5413     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
5414     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
5415
5416     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
5417     h m [] = return m []
5418     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
5419                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
5420                  return m (y:ys)
5421 </programlisting>
5422
5423 </para>
5424
5425 <para>
5426 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
5427 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
5428 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
5429 matching.
5430 </para>
5431 </sect3>
5432
5433 <sect3>
5434 <title>Type inference</title>
5435
5436 <para>
5437 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
5438 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
5439 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
5440 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
5441 </para>
5442 <para>
5443 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
5444 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
5445 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
5446 </para>
5447 <para>
5448 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
5449 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
5450 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
5451 <programlisting>
5452      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
5453 </programlisting>
5454 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
5455 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
5456 <programlisting>
5457      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5458 </programlisting>
5459 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
5460 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
5461 one can give a type signature for the function itself:
5462 <programlisting>
5463      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5464      h f = (f True, f 'c')
5465 </programlisting>
5466 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
5467 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
5468 <programlisting>
5469     f :: T a -> a -> (a, Char)
5470     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5471 </programlisting>
5472 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
5473 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
5474 it needs to know.
5475 </para>
5476
5477 </sect3>
5478
5479
5480 <sect3 id="implicit-quant">
5481 <title>Implicit quantification</title>
5482
5483 <para>
5484 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
5485 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
5486 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
5487 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
5488 equivalent:
5489 <programlisting>
5490   f :: a -> a
5491   f :: forall a. a -> a
5492
5493   g (x::a) = let
5494                 h :: a -> b -> b
5495                 h x y = y
5496              in ...
5497   g (x::a) = let
5498                 h :: forall b. a -> b -> b
5499                 h x y = y
5500              in ...
5501 </programlisting>
5502 </para>
5503 <para>
5504 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
5505 point.  For example:
5506 <programlisting>
5507   f :: (a -> a) -> Int
5508            -- MEANS
5509   f :: forall a. (a -> a) -> Int
5510            -- NOT
5511   f :: (forall a. a -> a) -> Int
5512
5513
5514   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
5515            -- MEANS the illegal type
5516   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
5517            -- NOT
5518   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
5519 </programlisting>
5520 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
5521 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
5522 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
5523 for rank-2 types.
5524 </para>
5525 </sect3>
5526 </sect2>
5527
5528
5529 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
5530 <title>Impredicative polymorphism
5531 </title>
5532 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>, 
5533 enabled with <option>-XImpredicativeTypes</option>.  
5534 This means
5535 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
5536 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
5537 <programlisting>
5538   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
5539   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
5540   f Nothing  = Nothing
5541 </programlisting>
5542 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
5543 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
5544 [a])</literal>.
5545 </para>
5546 <para>The technical details of this extension are described in the paper
5547 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy/">Boxy types:
5548 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
5549 which appeared at ICFP 2006.  
5550 </para>
5551 </sect2>
5552
5553 <sect2 id="scoped-type-variables">
5554 <title>Lexically scoped type variables
5555 </title>
5556
5557 <para>
5558 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
5559 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
5560 <programlisting>
5561 f :: forall a. [a] -> [a]
5562 f xs = ys ++ ys
5563      where
5564        ys :: [a]
5565        ys = reverse xs
5566 </programlisting>
5567 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope,
5568 because of the explicit <literal>forall</literal> (<xref linkend="decl-type-sigs"/>).
5569 The type variables bound by a <literal>forall</literal> scope over
5570 the entire definition of the accompanying value declaration.
5571 In this example, the type variable <literal>a</literal> scopes over the whole 
5572 definition of <literal>f</literal>, including over
5573 the type signature for <varname>ys</varname>. 
5574 In Haskell 98 it is not possible to declare
5575 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
5576 it becomes possible to do so.
5577 </para>
5578 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
5579 <option>-XScopedTypeVariables</option>.  This flag implies <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
5580 </para>
5581 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
5582 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
5583 carefully!</para>
5584
5585 <sect3>
5586 <title>Overview</title>
5587
5588 <para>The design follows the following principles
5589 <itemizedlist>
5590 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
5591 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
5592 design.)</para></listitem>
5593 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
5594 type variables.  This means that every programmer-written type signature
5595 (including one that contains free scoped type variables) denotes a
5596 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
5597 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
5598 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
5599 changing the program.</para></listitem>
5600 </itemizedlist>
5601 </para>
5602 <para>
5603 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
5604 <itemizedlist>
5605 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
5606 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
5607 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
5608 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
5609 </itemizedlist>
5610 </para>
5611 <para>
5612 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantified over
5613 its free type variables (<ulink
5614 url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
5615 4.1.2</ulink> 
5616 of the Haskell Report).
5617 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
5618 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
5619 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
5620 then
5621 <programlisting>
5622   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
5623   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
5624   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
5625 </programlisting>
5626 </para>
5627
5628
5629 </sect3>
5630
5631
5632 <sect3 id="decl-type-sigs">
5633 <title>Declaration type signatures</title>
5634 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5635 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5636 explicitly-quantified
5637 type variables, in the definition of the named function.  For example:
5638 <programlisting>
5639   f :: forall a. [a] -> [a]
5640   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5641 </programlisting>
5642 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
5643 the definition of "<literal>f</literal>".
5644 </para>
5645 <para>This only happens if:
5646 <itemizedlist>
5647 <listitem><para> The quantification in <literal>f</literal>'s type
5648 signature is explicit.  For example:
5649 <programlisting>
5650   g :: [a] -> [a]
5651   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5652 </programlisting>
5653 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
5654 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
5655 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
5656 quantification rules.
5657 </para></listitem>
5658 <listitem><para> The signature gives a type for a function binding or a bare variable binding, 
5659 not a pattern binding.
5660 For example:
5661 <programlisting>
5662   f1 :: forall a. [a] -> [a]
5663   f1 (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5664
5665   f2 :: forall a. [a] -> [a]
5666   f2 = \(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5667
5668   f3 :: forall a. [a] -> [a] 
5669   Just f3 = Just (\(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ])   -- Not OK!
5670 </programlisting>
5671 The binding for <literal>f3</literal> is a pattern binding, and so its type signature
5672 does not bring <literal>a</literal> into scope.   However <literal>f1</literal> is a
5673 function binding, and <literal>f2</literal> binds a bare variable; in both cases
5674 the type signature brings <literal>a</literal> into scope.
5675 </para></listitem>
5676 </itemizedlist>
5677 </para>
5678 </sect3>
5679
5680 <sect3 id="exp-type-sigs">
5681 <title>Expression type signatures</title>
5682
5683 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5684 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5685 explicitly-quantified
5686 type variables, in the annotated expression.  For example:
5687 <programlisting>
5688   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
5689 </programlisting>
5690 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
5691 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
5692 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
5693 </para>
5694
5695 </sect3>
5696
5697 <sect3 id="pattern-type-sigs">
5698 <title>Pattern type signatures</title>
5699 <para>
5700 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
5701 signature</emphasis>. 
5702 For example:
5703 <programlisting>
5704   -- f and g assume that 'a' is already in scope
5705   f = \(x::Int, y::a) -> x
5706   g (x::a) = x
5707   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
5708 </programlisting>
5709 In the case where all the type variables in the pattern type signature are
5710 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
5711 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
5712 </para>
5713 <para>
5714 Unlike expression and declaration type signatures, pattern type signatures are not implicitly generalised.
5715 The pattern in a <emphasis>pattern binding</emphasis> may only mention type variables
5716 that are already in scope.  For example:
5717 <programlisting>
5718   f :: forall a. [a] -> (Int, [a])
5719   f xs = (n, zs)
5720     where
5721       (ys::[a], n) = (reverse xs, length xs) -- OK
5722       zs::[a] = xs ++ ys                     -- OK
5723
5724       Just (v::b) = ...  -- Not OK; b is not in scope
5725 </programlisting>
5726 Here, the pattern signatures for <literal>ys</literal> and <literal>zs</literal>
5727 are fine, but the one for <literal>v</literal> is not because <literal>b</literal> is
5728 not in scope. 
5729 </para>
5730 <para>
5731 However, in all patterns <emphasis>other</emphasis> than pattern bindings, a pattern
5732 type signature may mention a type variable that is not in scope; in this case,
5733 <emphasis>the signature brings that type variable into scope</emphasis>.
5734 This is particularly important for existential data constructors.  For example:
5735 <programlisting>
5736   data T = forall a. MkT [a]
5737
5738   k :: T -> T
5739   k (MkT [t::a]) = MkT t3
5740                  where
5741                    t3::[a] = [t,t,t]
5742 </programlisting>
5743 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
5744 variable that is not already in scope.  Indeed, it <emphasis>cannot</emphasis> already be in scope,
5745 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
5746 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
5747 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
5748 existentially-bound type variable.
5749 </para>
5750 <para>
5751 When a pattern type signature binds a type variable in this way, GHC insists that the 
5752 type variable is bound to a <emphasis>rigid</emphasis>, or fully-known, type variable.
5753 This means that any user-written type signature always stands for a completely known type.
5754 </para>
5755 <para>
5756 If all this seems a little odd, we think so too.  But we must have
5757 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
5758 could not name existentially-bound type variables in subsequent type signatures.
5759 </para>
5760 <para>
5761 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
5762 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
5763 scope.
5764 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
5765 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
5766 </para>
5767
5768
5769 </sect3>
5770
5771 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
5772
5773 <sect3 id="result-type-sigs">
5774 <title>Result type signatures</title>
5775
5776 <para>
5777 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
5778
5779 <programlisting>
5780   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5781   f x y :: [a] = [x,y,x]
5782
5783   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
5784
5785   h :: forall a. [a] -> a
5786   h xs = case xs of
5787             (y:ys) :: a -> y
5788 </programlisting>
5789 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
5790 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
5791 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
5792 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
5793 </para>
5794 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
5795 <para>
5796 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
5797 examples would parse quite differently with parentheses:
5798 <programlisting>
5799   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5800   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
5801
5802   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
5803
5804   h :: forall a. [a] -> a
5805   h xs = case xs of
5806             ((y:ys) :: a) -> y
5807 </programlisting>
5808 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
5809 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
5810 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
5811
5812 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
5813 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
5814 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
5815 consider how one would parse this:
5816 <programlisting>
5817   \ x :: a -> b -> x
5818 </programlisting>
5819 </para>
5820 </sect3>
5821
5822  -->
5823
5824 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
5825 <title>Class and instance declarations</title>
5826 <para>
5827
5828 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
5829 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
5830
5831
5832 <programlisting>
5833   class C a where
5834     op :: [a] -> a
5835
5836     op xs = let ys::[a]
5837                 ys = reverse xs
5838             in
5839             head ys
5840 </programlisting>
5841 </para>
5842 </sect3>
5843
5844 </sect2>
5845
5846
5847 <sect2 id="typing-binds">
5848 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
5849
5850 <para>
5851 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
5852 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
5853 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
5854 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
5855 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
5856 As each group is type-checked, any binders of the group that
5857 have
5858 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
5859 polymorphic type,
5860 and all others are monomorphic until the group is generalised 
5861 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
5862 </para>
5863
5864 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
5865 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/424440.html">Typing Haskell in
5866 Haskell</ulink>,
5867 GHC implements a more general scheme.  If <option>-XRelaxedPolyRec</option> is
5868 specified:
5869 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
5870 type signature</emphasis>.
5871 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
5872 typecheck.  For example, consider:
5873 <programlisting>
5874   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
5875   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
5876   
5877   g y = (y &lt;= y) || f True
5878 </programlisting>
5879 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
5880 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
5881 <literal>f</literal>,
5882 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
5883 hand side is ignored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
5884 type is generalised, to get
5885 <programlisting>
5886   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
5887 </programlisting>
5888 Now, the definition for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
5889 <literal>g</literal> in the type environment.
5890 </para>
5891
5892 <para>
5893 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
5894 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
5895 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
5896 <option>-XRelaxedPolyRec</option>
5897 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
5898 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
5899 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
5900 <programlisting>
5901   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
5902   f x = (x == x) || g True
5903   
5904   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
5905   g y = (y &lt;= y) || f True
5906 </programlisting>
5907 </para>
5908 </sect2>
5909
5910 </sect1>
5911 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
5912   
5913 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
5914
5915 <sect1 id="template-haskell">
5916 <title>Template Haskell</title>
5917
5918 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
5919 Haskell.  
5920 The background to
5921 the main technical innovations is discussed in "<ulink
5922 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/">
5923 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
5924 </para>
5925 <para>
5926 There is a Wiki page about
5927 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
5928 http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell</ulink>, and that is the best place to look for
5929 further details.
5930 You may also 
5931 consult the <ulink
5932 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
5933 Haskell library reference material</ulink> 
5934 (look for module <literal>Language.Haskell.TH</literal>).
5935 Many changes to the original design are described in 
5936       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/notes2.ps">
5937 Notes on Template Haskell version 2</ulink>.
5938 Not all of these changes are in GHC, however.
5939 </para>
5940
5941 <para> The first example from that paper is set out below (<xref linkend="th-example"/>) 
5942 as a worked example to help get you started. 
5943 </para>
5944
5945 <para>
5946 The documentation here describes the realisation of Template Haskell in GHC.  It is not detailed enough to 
5947 understand Template Haskell; see the <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
5948 Wiki page</ulink>.
5949 </para>
5950
5951     <sect2>
5952       <title>Syntax</title>
5953
5954       <para> Template Haskell has the following new syntactic
5955       constructions.  You need to use the flag
5956       <option>-XTemplateHaskell</option>
5957         <indexterm><primary><option>-XTemplateHaskell</option></primary>
5958       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
5959       (<option>-XTemplateHaskell</option> is no longer implied by
5960       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
5961
5962         <itemizedlist>
5963               <listitem><para>
5964                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
5965                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
5966                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
5967                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
5968                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
5969                   </para>
5970               <para> A splice can occur in place of 
5971                   <itemizedlist>
5972                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
5973                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
5974                     <listitem><para> an type; the spliced expression must
5975                     have type <literal>Q Typ</literal></para></listitem>
5976                     <listitem><para> a list of top-level declarations; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
5977                     </itemizedlist>
5978                 </para>
5979             Inside a splice you can can only call functions defined in imported modules,
5980         not functions defined elsewhere in the same module.</listitem>
5981
5982
5983               <listitem><para>
5984                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
5985                   <itemizedlist>
5986                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
5987                              the quotation has type <literal>Q Exp</literal>.</para></listitem>
5988                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
5989                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
5990                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;
5991                              the quotation has type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
5992                   </itemizedlist></para></listitem>
5993
5994               <listitem><para>
5995                   A quasi-quotation can appear in either a pattern context or an
5996                   expression context and is also written in Oxford brackets:
5997                   <itemizedlist>
5998                     <listitem><para> <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>| ... |]</literal>,
5999                         where the "..." is an arbitrary string; a full description of the
6000                         quasi-quotation facility is given in <xref linkend="th-quasiquotation"/>.</para></listitem>
6001                   </itemizedlist></para></listitem>
6002
6003               <listitem><para>
6004                   A name can be quoted with either one or two prefix single quotes:
6005                   <itemizedlist>
6006                     <listitem><para> <literal>'f</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the function <literal>f</literal>.
6007                   Similarly <literal>'C</literal> has type <literal>Name</literal> and names the data constructor <literal>C</literal>.
6008                   In general <literal>'</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in an expression context.
6009                      </para></listitem> 
6010                     <listitem><para> <literal>''T</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the type constructor  <literal>T</literal>.
6011                   That is, <literal>''</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in a type context.
6012                      </para></listitem> 
6013                   </itemizedlist>
6014                   These <literal>Names</literal> can be used to construct Template Haskell expressions, patterns, declarations etc.  They
6015                   may also be given as an argument to the <literal>reify</literal> function.
6016                  </para>
6017                 </listitem>
6018
6019                   
6020         </itemizedlist>
6021 (Compared to the original paper, there are many differences of detail.
6022 The syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>".
6023 The type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>.
6024 Pattern splices and quotations are not implemented.)
6025
6026 </sect2>
6027
6028 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
6029 <para>
6030 <itemizedlist>
6031     <listitem><para>
6032     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
6033     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
6034     </para></listitem>
6035
6036     <listitem><para>
6037     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
6038             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
6039             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
6040    </para></listitem>
6041
6042    <listitem><para>
6043    You can only run a function at compile time if it is imported
6044    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
6045    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  Furthermore, all of the modules of 
6046    the mutually-recursive group must be reachable by non-SOURCE imports from the module where the
6047    splice is to be run.</para>
6048    <para>
6049    For example, when compiling module A,
6050    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
6051    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
6052    </para></listitem>
6053
6054     <listitem><para>
6055             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
6056    </para></listitem>
6057     <listitem><para>
6058             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
6059               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
6060               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
6061               the program it compiles produces results whose representations are identical to
6062               those of the compiler itself.
6063    </para></listitem>
6064 </itemizedlist>
6065 </para>
6066 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
6067         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
6068         has been lifted.
6069 </para>
6070 </sect2>
6071  
6072 <sect2 id="th-example">  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
6073 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
6074   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
6075
6076 <programlisting>
6077
6078 {- Main.hs -}
6079 module Main where
6080
6081 -- Import our template "pr"
6082 import Printf ( pr )
6083
6084 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
6085 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
6086 -- the argument of "putStrLn".
6087 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
6088
6089
6090 {- Printf.hs -}
6091 module Printf where
6092
6093 -- Skeletal printf from the paper.
6094 -- It needs to be in a separate module to the one where
6095 -- you intend to use it.
6096
6097 -- Import some Template Haskell syntax
6098 import Language.Haskell.TH
6099
6100 -- Describe a format string
6101 data Format = D | S | L String
6102
6103 -- Parse a format string.  This is left largely to you
6104 -- as we are here interested in building our first ever
6105 -- Template Haskell program and not in building printf.
6106 parse :: String -> [Format]
6107 parse s   = [ L s ]
6108
6109 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
6110 -- of the format string.  This code will be spliced into
6111 -- the module which calls "pr", at compile time.
6112 gen :: [Format] -> Q Exp
6113 gen [D]   = [| \n -> show n |]
6114 gen [S]   = [| \s -> s |]
6115 gen [L s] = stringE s
6116
6117 -- Here we generate the Haskell code for the splice
6118 -- from an input format string.
6119 pr :: String -> Q Exp
6120 pr s = gen (parse s)
6121 </programlisting>
6122
6123 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
6124 </para>
6125 <programlisting>
6126 $ ghc --make -XTemplateHaskell main.hs -o main.exe
6127 </programlisting>
6128
6129 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
6130
6131 <programlisting>
6132 $ ./main
6133 Hello
6134 </programlisting>
6135
6136 </sect2>
6137
6138 <sect2>
6139 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
6140 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
6141  
6142 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
6143 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
6144 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
6145 itself is running; this means that the compiled code referred to by
6146 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
6147 in particular this means that object code that is compiled for
6148 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
6149 expression, because profiled object code is only compatible with the
6150 profiling version of the runtime.</para>
6151
6152 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
6153 containing Template Haskell code and you need to compile it for
6154 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
6155 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
6156 The basic idea is to compile the program twice:</para>
6157
6158 <orderedlist>
6159 <listitem>
6160   <para>Compile the program or library first the normal way, without
6161   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
6162 </listitem>
6163 <listitem>
6164   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
6165   additionally use <option>-osuf
6166   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
6167   to name the object files differently (you can choose any suffix
6168   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
6169   load the object files built in the first step when executing splice
6170   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
6171   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
6172   GHC will emit an error message. </para>
6173 </listitem>
6174 </orderedlist>
6175 </sect2>
6176
6177 <sect2 id="th-quasiquotation">  <title> Template Haskell Quasi-quotation </title>
6178 <para>Quasi-quotation allows patterns and expressions to be written using
6179 programmer-defined concrete syntax; the motivation behind the extension and
6180 several examples are documented in
6181 "<ulink url="http://www.eecs.harvard.edu/~mainland/ghc-quasiquoting/">Why It's
6182 Nice to be Quoted: Quasiquoting for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop
6183 2007). The example below shows how to write a quasiquoter for a simple
6184 expression language.</para>
6185
6186 <para>
6187 In the example, the quasiquoter <literal>expr</literal> is bound to a value of
6188 type <literal>Language.Haskell.TH.Quote.QuasiQuoter</literal> which contains two
6189 functions for quoting expressions and patterns, respectively. The first argument
6190 to each quoter is the (arbitrary) string enclosed in the Oxford brackets. The
6191 context of the quasi-quotation statement determines which of the two parsers is
6192 called: if the quasi-quotation occurs in an expression context, the expression
6193 parser is called, and if it occurs in a pattern context, the pattern parser is
6194 called.</para>
6195
6196 <para>
6197 Note that in the example we make use of an antiquoted
6198 variable <literal>n</literal>, indicated by the syntax <literal>'int:n</literal>
6199 (this syntax for anti-quotation was defined by the parser's
6200 author, <emphasis>not</emphasis> by GHC). This binds <literal>n</literal> to the
6201 integer value argument of the constructor <literal>IntExpr</literal> when
6202 pattern matching. Please see the referenced paper for further details regarding
6203 anti-quotation as well as the description of a technique that uses SYB to
6204 leverage a single parser of type <literal>String -> a</literal> to generate both
6205 an expression parser that returns a value of type <literal>Q Exp</literal> and a
6206 pattern parser that returns a value of type <literal>Q Pat</literal>.
6207 </para>
6208
6209 <para>In general, a quasi-quote has the form
6210 <literal>[$<replaceable>quoter</replaceable>| <replaceable>string</replaceable> |]</literal>.
6211 The <replaceable>quoter</replaceable> must be the name of an imported quoter; it
6212 cannot be an arbitrary expression.  The quoted <replaceable>string</replaceable> 
6213 can be arbitrary, and may contain newlines.
6214 </para>
6215 <para>
6216 Quasiquoters must obey the same stage restrictions as Template Haskell, e.g., in
6217 the example, <literal>expr</literal> cannot be defined
6218 in <literal>Main.hs</literal> where it is used, but must be imported.
6219 </para>
6220
6221 <programlisting>
6222
6223 {- Main.hs -}
6224 module Main where
6225
6226 import Expr
6227
6228 main :: IO ()
6229 main = do { print $ eval [$expr|1 + 2|]
6230           ; case IntExpr 1 of
6231               { [$expr|'int:n|] -> print n
6232               ;  _              -> return ()
6233               }
6234           }
6235
6236
6237 {- Expr.hs -}
6238 module Expr where
6239
6240 import qualified Language.Haskell.TH as TH
6241 import Language.Haskell.TH.Quote
6242
6243 data Expr  =  IntExpr Integer
6244            |  AntiIntExpr String
6245            |  BinopExpr BinOp Expr Expr
6246            |  AntiExpr String
6247     deriving(Show, Typeable, Data)
6248
6249 data BinOp  =  AddOp
6250             |  SubOp
6251             |  MulOp
6252             |  DivOp
6253     deriving(Show, Typeable, Data)
6254
6255 eval :: Expr -> Integer
6256 eval (IntExpr n)        = n
6257 eval (BinopExpr op x y) = (opToFun op) (eval x) (eval y)
6258   where
6259     opToFun AddOp = (+)
6260     opToFun SubOp = (-)
6261     opToFun MulOp = (*)
6262     opToFun DivOp = div
6263
6264 expr = QuasiQuoter parseExprExp parseExprPat
6265
6266 -- Parse an Expr, returning its representation as
6267 -- either a Q Exp or a Q Pat. See the referenced paper
6268 -- for how to use SYB to do this by writing a single
6269 -- parser of type String -> Expr instead of two
6270 -- separate parsers.
6271
6272 parseExprExp :: String -> Q Exp
6273 parseExprExp ...
6274
6275 parseExprPat :: String -> Q Pat
6276 parseExprPat ...
6277 </programlisting>
6278
6279 <para>Now run the compiler:
6280 </para>
6281 <programlisting>
6282 $ ghc --make -XQuasiQuotes Main.hs -o main
6283 </programlisting>
6284
6285 <para>Run "main" and here is your output:</para>
6286
6287 <programlisting>
6288 $ ./main
6289 3
6290 1
6291 </programlisting>
6292
6293 </sect2>
6294
6295 </sect1>
6296
6297 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
6298
6299 <sect1 id="arrow-notation">
6300 <title>Arrow notation
6301 </title>
6302
6303 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
6304 For more details, see
6305 <itemizedlist>
6306
6307 <listitem>
6308 <para>
6309 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
6310 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
6311 pp67&ndash;111, May 2000.
6312 The paper that introduced arrows: a friendly introduction, motivated with
6313 programming examples.
6314 </para>
6315 </listitem>
6316
6317 <listitem>
6318 <para>
6319 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
6320 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
6321 Introduced the notation described here.
6322 </para>
6323 </listitem>
6324
6325 <listitem>
6326 <para>
6327 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
6328 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
6329 Palgrave, 2003.
6330 </para>
6331 </listitem>
6332
6333 <listitem>
6334 <para>
6335 &ldquo;<ulink url="http://www.cs.chalmers.se/~rjmh/afp-arrows.pdf">Programming with Arrows</ulink>&rdquo;,
6336 John Hughes, in <citetitle>5th International Summer School on
6337 Advanced Functional Programming</citetitle>,
6338 <citetitle>Lecture Notes in Computer Science</citetitle> vol. 3622,
6339 Springer, 2004.
6340 This paper includes another introduction to the notation,
6341 with practical examples.
6342 </para>
6343 </listitem>
6344
6345 <listitem>
6346 <para>
6347 &ldquo;<ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/papers/arrow-rules.pdf">Type and Translation Rules for Arrow Notation in GHC</ulink>&rdquo;,
6348 Ross Paterson and Simon Peyton Jones, September 16, 2004.
6349 A terse enumeration of the formal rules used
6350 (extracted from comments in the source code).
6351 </para>
6352 </listitem>
6353
6354 <listitem>
6355 <para>
6356 The arrows web page at
6357 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
6358 </para>
6359 </listitem>
6360
6361 </itemizedlist>
6362 With the <option>-XArrows</option> flag, GHC supports the arrow
6363 notation described in the second of these papers,
6364 translating it using combinators from the
6365 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6366 module.
6367 What follows is a brief introduction to the notation;
6368 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
6369 </para>
6370
6371 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
6372 <screen>
6373 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
6374        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6375 </screen>
6376 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
6377 The variables of the pattern are bound in the body of the 
6378 <literal>proc</literal>-expression,
6379 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
6380 The syntax of commands is as follows:
6381 <screen>
6382 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
6383        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
6384        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
6385 </screen>
6386 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
6387 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
6388 infix operators as for expressions, and
6389 <screen>
6390 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6391        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
6392        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
6393        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
6394        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
6395        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
6396
6397 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
6398        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
6399        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
6400
6401 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
6402        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
6403        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
6404        |  <replaceable>cmd</replaceable>
6405 </screen>
6406 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
6407 except that the bodies are commands instead of expressions.
6408 </para>
6409
6410 <para>
6411 Commands produce values, but (like monadic computations)
6412 may yield more than one value,
6413 or none, and may do other things as well.
6414 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
6415 using commands.
6416 However the values of expressions, even monadic ones,
6417 are determined by the values of the variables they contain;
6418 this is not necessarily the case for commands.
6419 </para>
6420
6421 <para>
6422 A simple example of the new notation is the expression
6423 <screen>
6424 proc x -> f -&lt; x+1
6425 </screen>
6426 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
6427 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
6428 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
6429 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
6430 It refers to the input to the arrow.
6431 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
6432 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
6433 type and an expression to be fed as input to that arrow.
6434 (The weird look will make more sense later.)
6435 It may be read as analogue of application for arrows.
6436 The above example is equivalent to the Haskell expression
6437 <screen>
6438 arr (\ x -> x+1) >>> f
6439 </screen>
6440 That would make no sense if the expression to the left of
6441 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
6442 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
6443 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
6444 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
6445 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
6446 <screen>
6447 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
6448 </screen>
6449 which is equivalent to
6450 <screen>
6451 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
6452 </screen>
6453 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
6454 class.
6455 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
6456 you may find a monadic formulation more convenient.
6457 </para>
6458
6459 <sect2>
6460 <title>do-notation for commands</title>
6461
6462 <para>
6463 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
6464 For example, you can write
6465 <screen>
6466 proc x -> do
6467         y &lt;- f -&lt; x+1
6468         g -&lt; 2*y
6469         let z = x+y
6470         t &lt;- h -&lt; x*z
6471         returnA -&lt; t+z
6472 </screen>
6473 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
6474 but with commands in place of monadic expressions.
6475 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
6476 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
6477 <literal>y</literal>.
6478 In the next line, the output is discarded.
6479 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
6480 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6481 module as <literal>arr id</literal>.
6482 The above example is treated as an abbreviation for
6483 <screen>
6484 arr (\ x -> (x, x)) >>>
6485         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
6486         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
6487         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
6488         arr snd >>>
6489         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
6490         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
6491         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
6492         returnA
6493 </screen>
6494 Note that variables not used later in the composition are projected out.
6495 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
6496 defined in the
6497 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6498 module, this reduces to
6499 <screen>
6500 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
6501         first f >>>
6502         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
6503         first g >>>
6504         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
6505         first h >>>
6506         arr (\ (t, z) -> t+z)
6507 </screen>
6508 which is what you might have written by hand.
6509 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
6510 </para>
6511
6512 <para>
6513 Note that although the above translation suggests that
6514 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
6515 monomorphic, the actual translation produces Core,
6516 so polymorphic variables are allowed.
6517 </para>
6518
6519 <para>
6520 It's also possible to have mutually recursive bindings,
6521 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
6522 <programlisting>
6523 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
6524 counter = proc reset -> do
6525         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
6526                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
6527         returnA -&lt; output
6528 </programlisting>
6529 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
6530 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
6531 </para>
6532
6533 </sect2>
6534
6535 <sect2>
6536 <title>Conditional commands</title>
6537
6538 <para>
6539 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
6540 input for an arrow.
6541 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
6542 <screen>
6543 proc (x,y) ->
6544         if f x y
6545         then g -&lt; x+1
6546         else h -&lt; y+2
6547 </screen>
6548 which is translated to
6549 <screen>
6550 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
6551         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
6552 </screen>
6553 Since the translation uses <function>|||</function>,
6554 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
6555 </para>
6556
6557 <para>
6558 There are also <literal>case</literal> commands, like
6559 <screen>
6560 case input of
6561     [] -> f -&lt; ()
6562     [x] -> g -&lt; x+1
6563     x1:x2:xs -> do
6564         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
6565         ys &lt;- k -&lt; xs
6566         returnA -&lt; y:ys
6567 </screen>
6568 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
6569 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
6570 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
6571 </para>
6572
6573 </sect2>
6574
6575 <sect2>
6576 <title>Defining your own control structures</title>
6577
6578 <para>
6579 As we're seen, arrow notation provides constructs,
6580 modelled on those for expressions,
6581 for sequencing, value recursion and conditionals.
6582 But suitable combinators,
6583 which you can define in ordinary Haskell,
6584 may also be used to build new commands out of existing ones.
6585 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
6586 These environments assign values to the free local variables of the command.
6587 Thus combinators that produce arrows from arrows
6588 may also be used to build commands from commands.
6589 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
6590 <programlisting>
6591 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
6592 </programlisting>
6593 so we can use it to build commands:
6594 <programlisting>
6595 expr' = proc x -> do
6596                 returnA -&lt; x
6597         &lt;+> do
6598                 symbol Plus -&lt; ()
6599                 y &lt;- term -&lt; ()
6600                 expr' -&lt; x + y
6601         &lt;+> do
6602                 symbol Minus -&lt; ()
6603                 y &lt;- term -&lt; ()
6604                 expr' -&lt; x - y
6605 </programlisting>
6606 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
6607 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
6608 expression on the previous line.)
6609 This is equivalent to
6610 <programlisting>
6611 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
6612         &lt;+> (proc x -> do
6613                 symbol Plus -&lt; ()
6614                 y &lt;- term -&lt; ()
6615                 expr' -&lt; x + y)
6616         &lt;+> (proc x -> do
6617                 symbol Minus -&lt; ()
6618                 y &lt;- term -&lt; ()
6619                 expr' -&lt; x - y)
6620 </programlisting>
6621 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
6622 (representing the environment input to the command
6623 and thence to its subcommands)
6624 and satisfy the corresponding naturality property
6625 <screen>
6626 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
6627 </screen>
6628 at least for strict <literal>k</literal>.
6629 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
6630 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
6631 of the whole command,
6632 and also allows the translation to safely trim these environments.
6633 The operator must also not use any variable defined within the current
6634 arrow abstraction.
6635 </para>
6636
6637 <para>
6638 We could define our own operator
6639 <programlisting>
6640 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
6641 untilA body cond = proc x ->
6642         b &lt;- cond -&lt; x
6643         if b then returnA -&lt; ()
6644         else do
6645                 body -&lt; x
6646                 untilA body cond -&lt; x
6647 </programlisting>
6648 and use it in the same way.
6649 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
6650 there is also a more general syntax involving special brackets:
6651 <screen>
6652 proc x -> do
6653         y &lt;- f -&lt; x+1
6654         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
6655 </screen>
6656 </para>
6657
6658 </sect2>
6659
6660 <sect2>
6661 <title>Primitive constructs</title>
6662
6663 <para>
6664 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
6665 For example, in an arrow type supporting exceptions,
6666 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
6667 exception that occurred to the handler.
6668 Such an operator might have a type
6669 <screen>
6670 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
6671 </screen>
6672 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
6673 You could then use this with arrow notation by writing a command
6674 <screen>
6675 body `handleA` \ ex -> handler
6676 </screen>
6677 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
6678 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
6679 and the command <literal>handler</literal>,
6680 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
6681 Though the syntax here looks like a functional lambda,
6682 we are talking about commands, and something different is going on.
6683 The input to the arrow represented by a command consists of values for
6684 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
6685 In all the prior examples, this stack was empty.
6686 In the second argument to <function>handleA</function>,
6687 this stack consists of one value, the value of the exception.
6688 The command form of lambda merely gives this value a name.
6689 </para>
6690
6691 <para>
6692 More concretely,
6693 the values on the stack are paired to the right of the environment.
6694 So operators like <function>handleA</function> that pass
6695 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
6696 by pairing the values with the environment in this way.
6697 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
6698 should have the form
6699 <screen>
6700 a (...(e,t1), ... tn) t
6701 </screen>
6702 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
6703 (representing the environment)
6704 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
6705 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
6706 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
6707 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
6708 <replaceable>t</replaceable>.
6709 However the arrows involved need not be the same.
6710 Here are some more examples of suitable operators:
6711 <screen>
6712 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
6713 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
6714 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
6715 </screen>
6716 We can supply the extra input required by commands built with the last two
6717 by applying them to ordinary expressions, as in
6718 <screen>
6719 proc x -> do
6720         s &lt;- ...
6721         (|runReader (do { ... })|) s
6722 </screen>
6723 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
6724 built using <function>runReader</function>.
6725 </para>
6726
6727 <para>
6728 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
6729 the expression versions.
6730 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
6731 These three features (operators, lambda abstraction and application)
6732 are the core of the notation; everything else can be built using them,
6733 though the results would be somewhat clumsy.
6734 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
6735 <programlisting>
6736 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
6737 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
6738
6739 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
6740 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
6741 </programlisting>
6742 We could simulate <literal>if</literal> by defining
6743 <programlisting>
6744 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
6745 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
6746 </programlisting>
6747 </para>
6748
6749 </sect2>
6750
6751 <sect2>
6752 <title>Differences with the paper</title>
6753
6754 <itemizedlist>
6755
6756 <listitem>
6757 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
6758 translations, the implementation provides two forms
6759 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
6760 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
6761 </para>
6762 </listitem>
6763
6764 <listitem>
6765 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
6766 a new <literal>form</literal> keyword.
6767 </para>
6768 </listitem>
6769
6770 </itemizedlist>
6771
6772 </sect2>
6773
6774 <sect2>
6775 <title>Portability</title>
6776
6777 <para>
6778 Although only GHC implements arrow notation directly,
6779 there is also a preprocessor
6780 (available from the 
6781 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
6782 that translates arrow notation into Haskell 98
6783 for use with other Haskell systems.
6784 You would still want to check arrow programs with GHC;
6785 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
6786 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
6787 additional restrictions:
6788 <itemizedlist>
6789
6790 <listitem>
6791 <para>
6792 The module must import
6793 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
6794 </para>
6795 </listitem>
6796
6797 <listitem>
6798 <para>
6799 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
6800 These would have to go in separate modules.
6801 </para>
6802 </listitem>
6803
6804 <listitem>
6805 <para>
6806 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
6807 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
6808 </para>
6809 </listitem>
6810
6811 </itemizedlist>
6812 </para>
6813
6814 </sect2>
6815
6816 </sect1>
6817
6818 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
6819
6820 <sect1 id="bang-patterns">
6821 <title>Bang patterns
6822 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
6823 </title>
6824 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
6825 patterns</emphasis>, written <literal>!<replaceable>pat</replaceable></literal>.   
6826 Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
6827 The <ulink
6828 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
6829 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
6830 than the material below.
6831 </para>
6832 <para>
6833 The key change is the addition of a new rule to the 
6834 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">semantics of pattern matching in the Haskell 98 report</ulink>.
6835 Add new bullet 10, saying: Matching the pattern <literal>!</literal><replaceable>pat</replaceable> 
6836 against a value <replaceable>v</replaceable> behaves as follows:
6837 <itemizedlist>
6838 <listitem><para>if <replaceable>v</replaceable> is bottom, the match diverges</para></listitem>
6839 <listitem><para>otherwise, <replaceable>pat</replaceable> is matched against <replaceable>v</replaceable>  </para></listitem>
6840 </itemizedlist>
6841 </para>
6842 <para>
6843 Bang patterns are enabled by the flag <option>-XBangPatterns</option>.
6844 </para>
6845
6846 <sect2 id="bang-patterns-informal">
6847 <title>Informal description of bang patterns
6848 </title>
6849 <para>
6850 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
6851 <programlisting>
6852   pat ::= !pat
6853 </programlisting>
6854 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
6855 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
6856 Example:
6857 <programlisting>
6858 f1 !x = True
6859 </programlisting>
6860 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
6861 whereas without the bang it would be lazy.
6862 Bang patterns can be nested of course:
6863 <programlisting>
6864 f2 (!x, y) = [x,y]
6865 </programlisting>
6866 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
6867 <literal>y</literal>.  
6868 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
6869 <programlisting>
6870 f3 !(x,y) = [x,y]
6871 f4 (x,y)  = [x,y]
6872 </programlisting>
6873 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; 
6874 putting a bang before a pattern that
6875 forces evaluation anyway does nothing.
6876 </para>
6877 <para>
6878 There is one (apparent) exception to this general rule that a bang only
6879 makes a difference when it precedes a variable or wild-card: a bang at the
6880 top level of a <literal>let</literal> or <literal>where</literal>
6881 binding makes the binding strict, regardless of the pattern. For example:
6882 <programlisting>
6883 let ![x,y] = e in b
6884 </programlisting>
6885 is a strict binding: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
6886 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>.
6887 (We say "apparent" exception because the Right Way to think of it is that the bang
6888 at the top of a binding is not part of the <emphasis>pattern</emphasis>; rather it
6889 is part of the syntax of the <emphasis>binding</emphasis>.)
6890 Nested bangs in a pattern binding behave uniformly with all other forms of 
6891 pattern matching.  For example
6892 <programlisting>
6893 let (!x,[y]) = e in b
6894 </programlisting>
6895 is equivalent to this:
6896 <programlisting>
6897 let { t = case e of (x,[y]) -> x `seq` (x,y)
6898       x = fst t
6899       y = snd t }
6900 in b
6901 </programlisting>
6902 The binding is lazy, but when either <literal>x</literal> or <literal>y</literal> is
6903 evaluated by <literal>b</literal> the entire pattern is matched, including forcing the
6904 evaluation of <literal>x</literal>.
6905 </para>
6906 <para>
6907 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
6908 <programlisting>
6909 g5 x = let y = f x in body
6910 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
6911 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
6912 </programlisting>
6913 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
6914 But <literal>g7</literal> evaluates <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
6915 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
6916 </para>
6917 </sect2>
6918
6919
6920 <sect2 id="bang-patterns-sem">
6921 <title>Syntax and semantics
6922 </title>
6923 <para>
6924
6925 We add a single new production to the syntax of patterns:
6926 <programlisting>
6927   pat ::= !pat
6928 </programlisting>
6929 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
6930 <programlisting>
6931 f !x = 3
6932 </programlisting>
6933 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
6934 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
6935 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
6936 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
6937 prefix notation:
6938 <programlisting>
6939 (!) f x = 3
6940 </programlisting>
6941 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
6942 url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
6943 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
6944 one extra item 10, saying:
6945 <itemizedlist><listitem><para>Matching
6946 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
6947 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
6948                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
6949                 <literal>v</literal></para></listitem>
6950 </itemizedlist>
6951 </para></listitem></itemizedlist>
6952 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
6953 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
6954 <programlisting>
6955 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
6956    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
6957 </programlisting>
6958 </para><para>
6959 That leaves let expressions, whose translation is given in 
6960 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
6961 3.12</ulink>
6962 of the Haskell Report.
6963 In the translation box, first apply 
6964 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
6965 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
6966 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
6967 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
6968 </para>
6969 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
6970 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
6971 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
6972 thus:
6973 <programlisting>
6974   let !y = f x in b
6975 </programlisting>
6976
6977 </para>
6978 <para>
6979 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
6980 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
6981 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
6982      is equivalent to
6983 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
6984 </para>
6985 <para>
6986 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
6987 a module.
6988 </para>
6989 </sect2>
6990 </sect1>
6991
6992 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
6993
6994 <sect1 id="assertions">
6995 <title>Assertions
6996 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
6997 </title>
6998
6999 <para>
7000 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
7001 could define a function like the following:
7002 </para>
7003
7004 <para>
7005
7006 <programlisting>
7007 assert :: Bool -> a -> a
7008 assert False x = error "assertion failed!"
7009 assert _     x = x
7010 </programlisting>
7011
7012 </para>
7013
7014 <para>
7015 which works, but gives you back a less than useful error message --
7016 an assertion failed, but which and where?
7017 </para>
7018
7019 <para>
7020 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
7021 takes a descriptive string to include in the error message and
7022 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
7023 the source location where <function>assert</function> was used.
7024 </para>
7025
7026 <para>
7027 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
7028 use of <function>assert</function> in the user's source:
7029 </para>
7030
7031 <para>
7032
7033 <programlisting>
7034 kelvinToC :: Double -> Double
7035 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
7036 </programlisting>
7037
7038 </para>
7039
7040 <para>
7041 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
7042 assertion was made,
7043 </para>
7044
7045 <para>
7046
7047 <programlisting>
7048 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
7049 </programlisting>
7050
7051 </para>
7052
7053 <para>
7054 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
7055 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
7056 can still define and use your own versions of
7057 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
7058 <literal>Control.Exception</literal> to make use
7059 <function>assert</function> in your code.
7060 </para>
7061
7062 <para>
7063 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
7064       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
7065 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
7066 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
7067       <option>-fignore-asserts</option>
7068       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
7069       </indexterm>.</para>
7070
7071 <para>
7072 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
7073 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
7074 </para>
7075
7076 </sect1>
7077
7078
7079 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
7080
7081   <sect1 id="pragmas">
7082     <title>Pragmas</title>
7083
7084     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
7085
7086     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
7087     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
7088     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
7089     of the generated code.</para>
7090
7091     <para>Pragmas all take the form
7092
7093 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
7094
7095     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
7096     pragma, and is followed optionally by information specific to that
7097     type of pragma.  Case is ignored in
7098     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
7099     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
7100     in the following sections; any pragma encountered with an
7101     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is
7102     ignored. The layout rule applies in pragmas, so the closing <literal>#-}</literal>
7103     should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>. </para> 
7104
7105     <para>Certain pragmas are <emphasis>file-header pragmas</emphasis>:
7106       <itemizedlist>
7107       <listitem><para>
7108           A file-header
7109           pragma must precede the <literal>module</literal> keyword in the file.
7110           </para></listitem>
7111       <listitem><para>
7112       There can be as many file-header pragmas as you please, and they can be
7113       preceded or followed by comments.  
7114           </para></listitem>
7115       <listitem><para>
7116       File-header pragmas are read once only, before
7117       pre-processing the file (e.g. with cpp).
7118           </para></listitem>
7119       <listitem><para>
7120          The file-header pragmas are: <literal>{-# LANGUAGE #-}</literal>,
7121         <literal>{-# OPTIONS_GHC #-}</literal>, and
7122         <literal>{-# INCLUDE #-}</literal>.
7123           </para></listitem>
7124       </itemizedlist>
7125       </para>
7126
7127     <sect2 id="language-pragma">
7128       <title>LANGUAGE pragma</title>
7129
7130       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7131       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
7132
7133       <para>The <literal>LANGUAGE</literal> pragma allows language extensions to be enabled 
7134         in a portable way.
7135         It is the intention that all Haskell compilers support the
7136         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
7137         all extensions are supported by all compilers, of
7138         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
7139         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
7140
7141       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
7142
7143 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
7144
7145         <para><literal>LANGUAGE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7146
7147       <para>Every language extension can also be turned into a command-line flag
7148         by prefixing it with "<literal>-X</literal>"; for example <option>-XForeignFunctionInterface</option>.
7149         (Similarly, all "<literal>-X</literal>" flags can be written as <literal>LANGUAGE</literal> pragmas.
7150       </para>
7151
7152       <para>A list of all supported language extensions can be obtained by invoking
7153         <literal>ghc --supported-languages</literal> (see <xref linkend="modes"/>).</para>
7154
7155       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
7156         <ulink
7157           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink>
7158         may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
7159     </sect2>
7160
7161
7162     <sect2 id="options-pragma">
7163       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
7164       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
7165       </indexterm>
7166       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
7167       </indexterm>
7168
7169       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
7170       additional options that are given to the compiler when compiling
7171       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
7172       details.</para>
7173
7174       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
7175         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
7176     </sect2>
7177
7178         <para><literal>OPTIONS_GHC</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7179
7180     <sect2 id="include-pragma">
7181       <title>INCLUDE pragma</title>
7182
7183       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
7184         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
7185         the C source code generated by the compiler for the current module (if
7186         compiling via C).  For example:</para>
7187
7188 <programlisting>
7189 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
7190 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
7191
7192         <para><literal>INCLUDE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7193
7194       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
7195         to the <option>-#include</option> option (<xref
7196           linkend="options-C-compiler" />), because the
7197         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
7198         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
7199         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
7200         don't recommend using this approach with GHC.</para>
7201     </sect2>
7202
7203     <sect2 id="warning-deprecated-pragma">
7204       <title>WARNING and DEPRECATED pragmas</title>
7205       <indexterm><primary>WARNING</primary></indexterm>
7206       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary></indexterm>
7207
7208       <para>The WARNING pragma allows you to attach an arbitrary warning
7209       to a particular function, class, or type.
7210       A DEPRECATED pragma lets you specify that
7211       a particular function, class, or type is deprecated.
7212       There are two ways of using these pragmas.
7213
7214       <itemizedlist>
7215         <listitem>
7216           <para>You can work on an entire module thus:</para>
7217 <programlisting>
7218    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
7219      ...
7220 </programlisting>
7221       <para>Or:</para>
7222 <programlisting>
7223    module Wibble {-# WARNING "This is an unstable interface." #-} where
7224      ...
7225 </programlisting>
7226           <para>When you compile any module that import
7227           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
7228           message.</para>
7229         </listitem>
7230
7231         <listitem>
7232           <para>You can attach a warning to a function, class, type, or data constructor, with the
7233           following top-level declarations:</para>
7234 <programlisting>
7235    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
7236    {-# WARNING unsafePerformIO "This is unsafe; I hope you know what you're doing" #-}
7237 </programlisting>
7238           <para>When you compile any module that imports and uses any
7239           of the specified entities, GHC will print the specified
7240           message.</para>
7241           <para> You can only attach to entities declared at top level in the module
7242           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
7243           entities. A capitalised name, such as <literal>T</literal>
7244           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
7245           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
7246           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to
7247       specify one without the other (c.f. fixities
7248       <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
7249         </listitem>
7250       </itemizedlist>
7251       Warnings and deprecations are not reported for
7252       (a) uses within the defining module, and
7253       (b) uses in an export list.
7254       The latter reduces spurious complaints within a library
7255       in which one module gathers together and re-exports 
7256       the exports of several others.
7257       </para>
7258       <para>You can suppress the warnings with the flag
7259       <option>-fno-warn-warnings-deprecations</option>.</para>
7260     </sect2>
7261
7262     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
7263       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
7264
7265       <para>These pragmas control the inlining of function
7266       definitions.</para>
7267
7268       <sect3 id="inline-pragma">
7269         <title>INLINE pragma</title>
7270         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
7271
7272         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
7273         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
7274         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
7275         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
7276         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
7277         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
7278         export that unfolding for other modules to use.</para>
7279
7280         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
7281         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
7282         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
7283
7284 <programlisting>
7285 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
7286 {-# INLINE key_function #-}
7287 </programlisting>
7288
7289         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
7290         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
7291         The normal unfolding machinery will then be very keen to
7292         inline it.  However, an <literal>INLINE</literal> pragma for a 
7293         function "<literal>f</literal>" has a number of other effects:
7294 <itemizedlist>
7295 <listitem><para>
7296 No functions are inlined into <literal>f</literal>.  Otherwise
7297 GHC might inline a big function into <literal>f</literal>'s right hand side, 
7298 making <literal>f</literal> big; and then inline <literal>f</literal> blindly.
7299 </para></listitem>
7300 <listitem><para>
7301 The float-in, float-out, and common-sub-expression transformations are not 
7302 applied to the body of <literal>f</literal>.  
7303 </para></listitem>
7304 <listitem><para>
7305 An INLINE function is not worker/wrappered by strictness analysis.
7306 It's going to be inlined wholesale instead.
7307 </para></listitem>
7308 </itemizedlist>
7309 All of these effects are aimed at ensuring that what gets inlined is
7310 exactly what you asked for, no more and no less.
7311 </para>
7312 <para>GHC ensures that inlining cannot go on forever: every mutually-recursive
7313 group is cut by one or more <emphasis>loop breakers</emphasis> that is never inlined
7314 (see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/Papers/inlining/index.htm">
7315 Secrets of the GHC inliner, JFP 12(4) July 2002</ulink>).
7316 GHC tries not to select a function with an INLINE pragma as a loop breaker, but
7317 when there is no choice even an INLINE function can be selected, in which case
7318 the INLINE pragma is ignored.
7319 For example, for a self-recursive function, the loop breaker can only be the function
7320 itself, so an INLINE pragma is always ignored.</para>
7321
7322         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
7323         function can be put anywhere its type signature could be
7324         put.</para>
7325
7326         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
7327         good idea for the
7328         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
7329         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
7330         a monad.  For example, in GHC's own
7331         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
7332
7333 <programlisting>
7334 {-# INLINE thenUs #-}
7335 {-# INLINE returnUs #-}
7336 </programlisting>
7337
7338         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
7339         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
7340
7341         <para>Note: the HBC compiler doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas,
7342           so if you want your code to be HBC-compatible you'll have to surround
7343           the pragma with C pre-processor directives 
7344           <literal>#ifdef __GLASGOW_HASKELL__</literal>...<literal>#endif</literal>.</para>
7345
7346       </sect3>
7347
7348       <sect3 id="noinline-pragma">
7349         <title>NOINLINE pragma</title>
7350         
7351         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
7352         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
7353
7354         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
7355         you'd expect: it stops the named function from being inlined
7356         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
7357         you're very cautious about code size.</para>
7358
7359         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
7360         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
7361         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
7362         inlining, so it should be used if you want your code to be
7363         portable).</para>
7364       </sect3>
7365
7366       <sect3 id="phase-control">
7367         <title>Phase control</title>
7368
7369         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
7370         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
7371         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
7372         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
7373         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
7374         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
7375         sequence of phase numbers for successive runs of the
7376         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
7377         phase number, thus:
7378         <itemizedlist>
7379           <listitem>
7380             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7381             <literal>f</literal>
7382               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7383               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
7384             </para></listitem>
7385           <listitem>
7386             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
7387             <literal>f</literal>
7388               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7389               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7390             </para></listitem>
7391           <listitem>
7392             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7393             <literal>f</literal>
7394               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7395               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
7396               there was no pragma).
7397             </para></listitem>
7398             <listitem>
7399             <para>"<literal>NOINLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
7400             <literal>f</literal>
7401               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7402               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7403             </para></listitem>
7404         </itemizedlist>
7405 The same information is summarised here:
7406 <programlisting>
7407                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
7408   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
7409   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
7410   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
7411   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
7412
7413   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
7414   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
7415 </programlisting>
7416 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
7417 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
7418 Another way to understand the semantics is this:
7419 <itemizedlist>
7420 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
7421 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
7422 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
7423 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
7424 happen.
7425 </para></listitem>
7426 </itemizedlist>
7427 </para>
7428 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
7429         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
7430       </sect3>
7431     </sect2>
7432
7433     <sect2 id="annotation-pragmas">
7434       <title>ANN pragmas</title>
7435       
7436       <para>GHC offers the ability to annotate various code constructs with additional
7437       data by using three pragmas.  This data can then be inspected at a later date by
7438       using GHC-as-a-library.</para>
7439             
7440       <sect3 id="ann-pragma">
7441         <title>Annotating values</title>
7442         
7443         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7444         
7445         <para>Any expression that has both <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances may be attached to a top-level value
7446         binding using an <literal>ANN</literal> pragma. In particular, this means you can use <literal>ANN</literal>
7447         to annotate data constructors (e.g. <literal>Just</literal>) as well as normal values (e.g. <literal>take</literal>).
7448         By way of example, to annotate the function <literal>foo</literal> with the annotation <literal>Just "Hello"</literal>
7449         you would do this:</para>
7450         
7451 <programlisting>
7452 {-# ANN foo (Just "Hello") #-}
7453 foo = ...
7454 </programlisting>
7455         
7456         <para>
7457           A number of restrictions apply to use of annotations:
7458           <itemizedlist>
7459             <listitem><para>The binder being annotated must be at the top level (i.e. no nested binders)</para></listitem>
7460             <listitem><para>The binder being annotated must be declared in the current module</para></listitem>
7461             <listitem><para>The expression you are annotating with must have a type with <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances</para></listitem>
7462             <listitem><para>The <ulink linkend="using-template-haskell">Template Haskell staging restrictions</ulink> apply to the
7463             expression being annotated with, so for example you cannot run a function from the module being compiled.</para>
7464             
7465             <para>To be precise, the annotation <literal>{-# ANN x e #-}</literal> is well staged if and only if <literal>$(e)</literal> would be 
7466             (disregarding the usual type restrictions of the splice syntax, and the usual restriction on splicing inside a splice - <literal>$([|1|])</literal> is fine as an annotation, albeit redundant).</para></listitem>
7467           </itemizedlist>
7468           
7469           If you feel strongly that any of these restrictions are too onerous, <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/MailingListsAndIRC">
7470           please give the GHC team a shout</ulink>.
7471         </para>
7472         
7473         <para>However, apart from these restrictions, many things are allowed, including expressions which are not fully evaluated!
7474         Annotation expressions will be evaluated by the compiler just like Template Haskell splices are. So, this annotation is fine:</para>
7475         
7476 <programlisting>
7477 {-# ANN f SillyAnnotation { foo = (id 10) + $([| 20 |]), bar = 'f } #-}
7478 f = ...
7479 </programlisting>
7480       </sect3>
7481       
7482       <sect3 id="typeann-pragma">
7483         <title>Annotating types</title>
7484         
7485         <indexterm><primary>ANN type</primary></indexterm>
7486         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7487         
7488         <para>You can annotate types with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>type</literal> keyword. For example:</para>
7489         
7490 <programlisting>
7491 {-# ANN type Foo (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7492 data Foo = ...
7493 </programlisting>
7494       </sect3>
7495       
7496       <sect3 id="modann-pragma">
7497         <title>Annotating modules</title>
7498         
7499         <indexterm><primary>ANN module</primary></indexterm>
7500         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7501         
7502         <para>You can annotate modules with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>module</literal> keyword. For example:</para>
7503         
7504 <programlisting>
7505 {-# ANN module (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7506 </programlisting>
7507       </sect3>
7508     </sect2>
7509
7510     <sect2 id="line-pragma">
7511       <title>LINE pragma</title>
7512
7513       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7514       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
7515       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
7516       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
7517       code.  It lets you specify the line number and filename of the
7518       original code; for example</para>
7519
7520 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
7521
7522       <para>if you'd generated the current file from something called
7523       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
7524       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
7525       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
7526       pragma.</para>
7527     </sect2>
7528
7529     <sect2 id="rules">
7530       <title>RULES pragma</title>
7531
7532       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
7533       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
7534     </sect2>
7535
7536     <sect2 id="specialize-pragma">
7537       <title>SPECIALIZE pragma</title>
7538
7539       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7540       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
7541       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7542
7543       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
7544       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
7545       specialised to particular types.  Thus, if you have an
7546       overloaded function:</para>
7547
7548 <programlisting>
7549   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
7550 </programlisting>
7551
7552       <para>If it is heavily used on lists with
7553       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
7554       follows:</para>
7555
7556 <programlisting>
7557   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
7558 </programlisting>
7559
7560       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
7561       be put anywhere its type signature could be put.</para>
7562
7563       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
7564       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
7565       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
7566       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
7567
7568       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
7569         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
7570         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
7571 <programlisting>
7572   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
7573 </programlisting>
7574       is valid if and only if the definition
7575 <programlisting>
7576   f_spec :: &lt;type&gt;
7577   f_spec = f
7578 </programlisting>
7579       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
7580       for the original function, not its code):
7581 <programlisting>
7582   f :: Eq a => a -> b -> b
7583   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
7584
7585   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
7586   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
7587
7588   h :: Eq a => a -> a -> a
7589   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
7590 </programlisting>
7591 The last of these examples will generate a 
7592 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
7593 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
7594 </para>
7595
7596 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
7597 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
7598 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
7599 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised version of the
7600 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
7601 example is this:
7602 <programlisting>
7603 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
7604 data Arr e where
7605   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
7606   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
7607
7608 (!:) :: Arr e -> Int -> e
7609 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
7610 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
7611 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
7612 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
7613 </programlisting>
7614 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
7615 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
7616 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
7617 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
7618 <literal>(!:)</literal>,
7619 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
7620 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
7621 unrolling of the indexing function.</para>
7622 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
7623 on an ordinarily-recursive function.</para>
7624
7625       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
7626       specialised function for a given type:
7627
7628 <programlisting>
7629 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
7630 </programlisting>
7631
7632       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
7633       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
7634
7635     </sect2>
7636
7637 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
7638 <title>SPECIALIZE instance pragma
7639 </title>
7640
7641 <para>
7642 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7643 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7644 Same idea, except for instance declarations.  For example:
7645
7646 <programlisting>
7647 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
7648    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
7649    ... usual stuff ...
7650  }
7651 </programlisting>
7652 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
7653 of the instance declaration.
7654 </para>
7655 <para>
7656 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
7657 of the pragma.
7658 </para>
7659
7660 </sect2>
7661
7662     <sect2 id="unpack-pragma">
7663       <title>UNPACK pragma</title>
7664
7665       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
7666       
7667       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
7668       that it should unpack the contents of a constructor field into
7669       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
7670       example:</para>
7671
7672 <programlisting>
7673 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
7674            {-# UNPACK #-} !Float
7675 </programlisting>
7676
7677       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
7678       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
7679       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
7680       floats passed to a non-strict function for example, they will
7681       have to be reboxed (this is done automatically by the
7682       compiler).</para>
7683
7684       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
7685       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
7686       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
7687       often as possible.  For example:</para>
7688
7689 <programlisting>
7690 f :: T -&#62; Float
7691 f (T f1 f2) = f1 + f2
7692 </programlisting>
7693
7694       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
7695       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
7696       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
7697
7698       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
7699       example</para>
7700
7701 <programlisting>
7702 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
7703 </programlisting>
7704
7705       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
7706       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
7707       Multi-level unpacking is also supported:
7708
7709 <programlisting>
7710 data T = T {-# UNPACK #-} !S
7711 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
7712 </programlisting>
7713
7714       will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
7715       directly in the <function>T</function> constructor.  The
7716       unpacker can see through newtypes, too.</para>
7717
7718       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
7719       so it might be an idea to check the generated code with
7720       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
7721
7722       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
7723       which essentially has the effect of adding
7724       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
7725       constructor field.</para>
7726     </sect2>
7727
7728     <sect2 id="source-pragma">
7729       <title>SOURCE pragma</title>
7730
7731       <indexterm><primary>SOURCE</primary></indexterm>
7732      <para>The <literal>{-# SOURCE #-}</literal> pragma is used only in <literal>import</literal> declarations,
7733      to break a module loop.  It is described in detail in <xref linkend="mutual-recursion"/>.
7734      </para>
7735 </sect2>
7736
7737 </sect1>
7738
7739 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
7740
7741 <sect1 id="rewrite-rules">
7742 <title>Rewrite rules
7743
7744 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
7745 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
7746 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
7747
7748 <para>
7749 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
7750 (in a pragma).  
7751 Here is an example:
7752
7753 <programlisting>
7754   {-# RULES
7755   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7756     #-}
7757 </programlisting>
7758 </para>
7759 <para>
7760 Use the debug flag <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules fired.
7761 If you need more information, then <option>-ddump-rule-firings</option> shows you
7762 each individual rule firing in detail.
7763 </para>
7764
7765 <sect2>
7766 <title>Syntax</title>
7767
7768 <para>
7769 From a syntactic point of view:
7770
7771 <itemizedlist>
7772
7773 <listitem>
7774 <para>
7775  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma, separated by semicolons (which
7776  may be generated by the layout rule).
7777 </para>
7778 </listitem>
7779
7780 <listitem>
7781 <para>
7782 The layout rule applies in a pragma.
7783 Currently no new indentation level
7784 is set, so if you put several rules in single RULES pragma and wish to use layout to separate them,
7785 you must lay out the starting in the same column as the enclosing definitions.
7786 <programlisting>
7787   {-# RULES
7788   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7789   "map/append" forall f xs ys. map f (xs ++ ys) = map f xs ++ map f ys
7790     #-}
7791 </programlisting>
7792 Furthermore, the closing <literal>#-}</literal>
7793 should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>.
7794 </para>
7795 </listitem>
7796
7797 <listitem>
7798 <para>
7799  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
7800 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
7801 </para>
7802 </listitem>
7803
7804 <listitem>
7805 <para>
7806 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
7807 immediately after the name of the rule.  Thus:
7808 <programlisting>
7809   {-# RULES
7810         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
7811     #-}
7812 </programlisting>
7813 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
7814 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
7815 Phase 2.
7816 </para>
7817 </listitem>
7818
7819
7820
7821 <listitem>
7822 <para>
7823  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
7824 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
7825 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
7826 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
7827 </para>
7828 </listitem>
7829 <listitem>
7830
7831 <para>
7832  A pattern variable may optionally have a type signature.
7833 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
7834 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
7835
7836 <programlisting>
7837 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
7838               foldr k z (build g) = g k z
7839 </programlisting>
7840
7841 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
7842
7843 </para>
7844 </listitem>
7845 <listitem>
7846
7847 <para>
7848 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
7849 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
7850
7851 <programlisting>
7852 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
7853 "wrong2"   forall f.      f True = True
7854 </programlisting>
7855
7856 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
7857 in the head.
7858 </para>
7859 </listitem>
7860 <listitem>
7861
7862 <para>
7863  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
7864 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
7865 </para>
7866 </listitem>
7867 <listitem>
7868
7869 <para>
7870  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
7871 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
7872 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
7873 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
7874 declarations.
7875 </para>
7876 </listitem>
7877
7878 <listitem>
7879
7880 <para>
7881 Inside a RULE "<literal>forall</literal>" is treated as a keyword, regardless of
7882 any other flag settings.  Furthermore, inside a RULE, the language extension
7883 <option>-XScopedTypeVariables</option> is automatically enabled; see 
7884 <xref linkend="scoped-type-variables"/>.
7885 </para>
7886 </listitem>
7887 <listitem>
7888
7889 <para>
7890 Like other pragmas, RULE pragmas are always checked for scope errors, and
7891 are typechecked. Typechecking means that the LHS and RHS of a rule are typechecked, 
7892 and must have the same type.  However, rules are only <emphasis>enabled</emphasis>
7893 if the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag is 
7894 on (see <xref linkend="rule-semantics"/>).
7895 </para>
7896 </listitem>
7897 </itemizedlist>
7898
7899 </para>
7900
7901 </sect2>
7902
7903 <sect2 id="rule-semantics">
7904 <title>Semantics</title>
7905
7906 <para>
7907 From a semantic point of view:
7908
7909 <itemizedlist>
7910 <listitem>
7911 <para>
7912 Rules are enabled (that is, used during optimisation)
7913 by the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag.
7914 This flag is implied by <option>-O</option>, and may be switched
7915 off (as usual) by <option>-fno-enable-rewrite-rules</option>.
7916 (NB: enabling <option>-fenable-rewrite-rules</option> without <option>-O</option> 
7917 may not do what you expect, though, because without <option>-O</option> GHC 
7918 ignores all optimisation information in interface files;
7919 see <option>-fignore-interface-pragmas</option>, <xref linkend="options-f"/>.)
7920 Note that <option>-fenable-rewrite-rules</option> is an <emphasis>optimisation</emphasis> flag, and
7921 has no effect on parsing or typechecking.
7922 </para>
7923 </listitem>
7924
7925 <listitem>
7926 <para>
7927  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
7928 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
7929 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
7930 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
7931 expression by substituting for the pattern variables.
7932
7933 </para>
7934 </listitem>
7935 <listitem>
7936
7937 <para>
7938  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
7939 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
7940 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
7941
7942 </para>
7943 </listitem>
7944 <listitem>
7945
7946 <para>
7947  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
7948 terminating.  For example:
7949
7950 <programlisting>
7951   "loop"        forall x y.  f x y = f y x
7952 </programlisting>
7953
7954 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
7955
7956 </para>
7957 </listitem>
7958 <listitem>
7959
7960 <para>
7961  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
7962
7963 </para>
7964 </listitem>
7965 <listitem>
7966 <para>
7967  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
7968 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
7969 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
7970 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
7971 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
7972 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
7973 </para>
7974
7975 <para>
7976 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
7977 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
7978 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
7979 </para>
7980 </listitem>
7981 <listitem>
7982
7983 <para>
7984  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
7985 For example, consider:
7986
7987 <programlisting>
7988   let s = map f
7989       t = map g
7990   in
7991   s (t xs)
7992 </programlisting>
7993
7994 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
7995 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
7996 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
7997 not be substituted, and the rule would not fire.
7998
7999 </para>
8000 </listitem>
8001 <listitem>
8002
8003 <para>
8004 Ordinary inlining happens at the same time as rule rewriting, which may lead to unexpected
8005 results.  Consider this (artificial) example
8006 <programlisting>
8007 f x = x
8008 {-# RULES "f" f True = False #-}
8009
8010 g y = f y
8011
8012 h z = g True
8013 </programlisting>
8014 Since <literal>f</literal>'s right-hand side is small, it is inlined into <literal>g</literal>,
8015 to give
8016 <programlisting>
8017 g y = y
8018 </programlisting>
8019 Now <literal>g</literal> is inlined into <literal>h</literal>, but <literal>f</literal>'s RULE has
8020 no chance to fire.  
8021 If instead GHC had first inlined <literal>g</literal> into <literal>h</literal> then there
8022 would have been a better chance that <literal>f</literal>'s RULE might fire.  
8023 </para>
8024 <para>
8025 The way to get predictable behaviour is to use a NOINLINE 
8026 pragma on <literal>f</literal>, to ensure
8027 that it is not inlined until its RULEs have had a chance to fire.
8028 </para>
8029 </listitem>
8030 </itemizedlist>
8031
8032 </para>
8033
8034 </sect2>
8035
8036 <sect2>
8037 <title>List fusion</title>
8038
8039 <para>
8040 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
8041 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
8042 intermediate list should be eliminated entirely.
8043 </para>
8044
8045 <para>
8046 The following are good producers:
8047
8048 <itemizedlist>
8049 <listitem>
8050
8051 <para>
8052  List comprehensions
8053 </para>
8054 </listitem>
8055 <listitem>
8056
8057 <para>
8058  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
8059 </para>
8060 </listitem>
8061 <listitem>
8062
8063 <para>
8064  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
8065 </para>
8066 </listitem>
8067 <listitem>
8068
8069 <para>
8070  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
8071 </para>
8072 </listitem>
8073 <listitem>
8074
8075 <para>
8076  <function>++</function>
8077 </para>
8078 </listitem>
8079
8080 <listitem>
8081 <para>
8082  <function>map</function>
8083 </para>
8084 </listitem>
8085
8086 <listitem>
8087 <para>
8088 <function>take</function>, <function>filter</function>
8089 </para>
8090 </listitem>
8091 <listitem>
8092
8093 <para>
8094  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
8095 </para>
8096 </listitem>
8097 <listitem>
8098
8099 <para>
8100  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
8101 </para>
8102 </listitem>
8103
8104 </itemizedlist>
8105
8106 </para>
8107
8108 <para>
8109 The following are good consumers:
8110
8111 <itemizedlist>
8112 <listitem>
8113
8114 <para>
8115  List comprehensions
8116 </para>
8117 </listitem>
8118 <listitem>
8119
8120 <para>
8121  <function>array</function> (on its second argument)
8122 </para>
8123 </listitem>
8124 <listitem>
8125
8126 <para>
8127  <function>++</function> (on its first argument)
8128 </para>
8129 </listitem>
8130
8131 <listitem>
8132 <para>
8133  <function>foldr</function>
8134 </para>
8135 </listitem>
8136
8137 <listitem>
8138 <para>
8139  <function>map</function>
8140 </para>
8141 </listitem>
8142 <listitem>
8143
8144 <para>
8145 <function>take</function>, <function>filter</function>
8146 </para>
8147 </listitem>
8148 <listitem>
8149
8150 <para>
8151  <function>concat</function>
8152 </para>
8153 </listitem>
8154 <listitem>
8155
8156 <para>
8157  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
8158 </para>
8159 </listitem>
8160 <listitem>
8161
8162 <para>
8163  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
8164 will fuse with one but not the other)
8165 </para>
8166 </listitem>
8167 <listitem>
8168
8169 <para>
8170  <function>partition</function>
8171 </para>
8172 </listitem>
8173 <listitem>
8174
8175 <para>
8176  <function>head</function>
8177 </para>
8178 </listitem>
8179 <listitem>
8180
8181 <para>
8182  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
8183 </para>
8184 </listitem>
8185 <listitem>
8186
8187 <para>
8188  <function>sequence&lowbar;</function>
8189 </para>
8190 </listitem>
8191 <listitem>
8192
8193 <para>
8194  <function>msum</function>
8195 </para>
8196 </listitem>
8197 <listitem>
8198
8199 <para>
8200  <function>sortBy</function>
8201 </para>
8202 </listitem>
8203
8204 </itemizedlist>
8205
8206 </para>
8207
8208  <para>
8209 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
8210
8211 <programlisting>
8212 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
8213 </programlisting>
8214
8215 </para>
8216
8217 <para>
8218 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
8219 a lot which are not included, please tell us.
8220 </para>
8221
8222 <para>
8223 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
8224 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
8225 </para>
8226
8227 </sect2>
8228
8229 <sect2 id="rule-spec">
8230 <title>Specialisation
8231 </title>
8232
8233 <para>
8234 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
8235 present in earlier versions of GHC.
8236 For example, suppose that:
8237
8238 <programlisting>
8239 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
8240 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
8241 </programlisting>
8242
8243 where <function>intLookup</function> is an implementation of
8244 <function>genericLookup</function> that works very fast for
8245 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
8246 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
8247 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
8248 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
8249 It used to be possible to write
8250
8251 <programlisting>
8252 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
8253 </programlisting>
8254
8255 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
8256
8257 <programlisting>
8258 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
8259 </programlisting>
8260
8261 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
8262 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
8263 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
8264 What is more, this rule does not need to be in the same
8265 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
8266 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
8267 have an original definition available to specialise).
8268 </para>
8269
8270 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
8271 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
8272 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
8273
8274 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
8275 specialisation will Win Big:
8276
8277 <programlisting>
8278 toDouble :: Real a => a -> Double
8279 toDouble = fromRational . toRational
8280
8281 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
8282 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
8283 </programlisting>
8284
8285 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
8286 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
8287 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
8288 comparison.
8289 </para>
8290
8291 </sect2>
8292
8293 <sect2>
8294 <title>Controlling what's going on</title>
8295
8296 <para>
8297
8298 <itemizedlist>
8299 <listitem>
8300
8301 <para>
8302  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
8303 </para>
8304 </listitem>
8305 <listitem>
8306
8307 <para>
8308  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
8309 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
8310 </para>
8311 </listitem>
8312 <listitem>
8313
8314 <para>
8315  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks like this:
8316
8317 <programlisting>
8318         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
8319         {-# INLINE build #-}
8320         build g = g (:) []
8321 </programlisting>
8322
8323 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
8324 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
8325 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
8326 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
8327
8328 </para>
8329 </listitem>
8330 <listitem>
8331
8332 <para>
8333  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
8334 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
8335 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
8336 </para>
8337 </listitem>
8338
8339 </itemizedlist>
8340
8341 </para>
8342
8343 </sect2>
8344
8345 <sect2 id="core-pragma">
8346   <title>CORE pragma</title>
8347
8348   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
8349   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
8350   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
8351
8352 <para>
8353   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
8354   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
8355   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
8356   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
8357   literal as an argument.  The following function definition shows an
8358   example:
8359
8360 <programlisting>
8361 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
8362 </programlisting>
8363
8364   Semantically, this is equivalent to:
8365
8366 <programlisting>
8367 g x = show x
8368 </programlisting>
8369 </para>
8370
8371 <para>
8372   However, when external core is generated (via
8373   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
8374   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
8375   The core function declaration for <function>f</function> is:
8376 </para>
8377
8378 <programlisting>
8379   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
8380                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
8381     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
8382         (%note "foo"
8383          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
8384            {GHCziShow.ZCDShow
8385             (tpl1::GHCziBase.Int ->
8386                    a ->
8387                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8388 r)
8389             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
8390             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
8391                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8392 r) ->
8393               tpl2})
8394         (%note "bar"
8395          eta);
8396 </programlisting>
8397
8398 <para>
8399   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
8400   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
8401   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
8402   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
8403   <varname>x</varname>).
8404 </para>
8405
8406 </sect2>
8407
8408 </sect1>
8409
8410 <sect1 id="special-ids">
8411 <title>Special built-in functions</title>
8412 <para>GHC has a few built-in functions with special behaviour.  These
8413 are now described in the module <ulink
8414 url="../libraries/ghc-prim/GHC-Prim.html"><literal>GHC.Prim</literal></ulink>
8415 in the library documentation.</para>
8416 </sect1>
8417
8418
8419 <sect1 id="generic-classes">
8420 <title>Generic classes</title>
8421
8422 <para>
8423 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
8424 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
8425 An example will give the idea:
8426 </para>
8427
8428 <programlisting>
8429   import Generics
8430
8431   class Bin a where
8432     toBin   :: a -> [Int]
8433     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
8434   
8435     toBin {| Unit |}    Unit      = []
8436     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
8437     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
8438     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
8439   
8440     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
8441     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
8442     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
8443     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
8444                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
8445 </programlisting>
8446 <para>
8447 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
8448 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
8449 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
8450 </para>
8451 <programlisting>
8452   data Unit    = Unit
8453   data a :+: b = Inl a | Inr b
8454   data a :*: b = a :*: b
8455 </programlisting>
8456 <para>
8457 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
8458 <programlisting>
8459   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
8460   instance Bin a => Bin [a]
8461 </programlisting>
8462 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
8463 where clause and over-ride whichever methods you please.
8464 </para>
8465
8466     <sect2>
8467       <title> Using generics </title>
8468       <para>To use generics you need to</para>
8469       <itemizedlist>
8470         <listitem>
8471           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
8472                 <option>-XGenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
8473                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
8474                 available.  </para>
8475         </listitem>
8476         <listitem>
8477           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
8478           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
8479           scope the data types <literal>Unit</literal>,
8480           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
8481           don't need this import if you don't mention these types
8482           explicitly; for example, if you are simply giving instance
8483           declarations.)</para>
8484         </listitem>
8485       </itemizedlist>
8486     </sect2>
8487
8488 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
8489 <para>
8490 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
8491 can be written infix (indeed, you can now use
8492 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
8493 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
8494 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
8495 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
8496 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
8497 anticipate wanting).
8498 </para>
8499 </sect2>
8500
8501 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
8502 <para>
8503 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
8504 is one that is defined using type patterns as above.
8505 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
8506 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
8507 generic default method.
8508 </para>
8509
8510 <para>
8511 Restrictions:
8512 <itemizedlist>
8513 <listitem>
8514 <para>
8515 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
8516 field labels.
8517 </para>
8518 </listitem>
8519
8520 <listitem>
8521 <para>
8522 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
8523 multi-parameter class.
8524 </para>
8525 </listitem>
8526
8527 <listitem>
8528 <para>
8529 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
8530 without.  So this is illegal:
8531 <programlisting>
8532   class Foo a where
8533     op :: a -> (a, Bool)
8534     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
8535     op x               = (x,    False)
8536 </programlisting>
8537 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
8538 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
8539 </para>
8540 </listitem>
8541
8542 <listitem>
8543 <para>
8544 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
8545 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:
8546 <programlisting>
8547   class Foo a where
8548     op :: a -> Bool
8549     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
8550     ...
8551 </programlisting>
8552 </para>
8553 </listitem>
8554
8555 <listitem>
8556 <para>
8557 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
8558 <programlisting>
8559        a :+: b
8560        a :*: b
8561        Unit
8562 </programlisting>
8563 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
8564 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
8565 must use the same type variables.  So this is illegal:
8566 <programlisting>
8567   class Foo a where
8568     op :: a -> Bool
8569     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
8570     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
8571 </programlisting>
8572 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
8573 So this too is illegal:
8574 <programlisting>
8575   class Foo a where
8576     op1 :: a -> Bool
8577     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
8578
8579     op2 :: a -> Bool
8580     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
8581 </programlisting>
8582 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type constructor
8583 into a single generic instance declaration.)
8584 </para>
8585 </listitem>
8586
8587 <listitem>
8588 <para>
8589 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
8590 </para>
8591 </listitem>
8592
8593 <listitem>
8594 <para>
8595 The type for a generic method can be built only from:
8596   <itemizedlist>
8597   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
8598   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
8599   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
8600   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
8601   </itemizedlist>
8602 Here are some example type signatures for generic methods:
8603 <programlisting>
8604     op1 :: a -> Bool
8605     op2 :: Bool -> (a,Bool)
8606     op3 :: [Int] -> a -> a
8607     op4 :: [a] -> Bool
8608 </programlisting>
8609 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
8610 inside a list.  
8611 </para>
8612 <para>
8613 This restriction is an implementation restriction: we just haven't got around to
8614 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
8615 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
8616 to the ones that are allowed.</para>
8617 </listitem>
8618
8619 <listitem>
8620 <para>
8621 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
8622 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
8623 do so if
8624   <itemizedlist>
8625   <listitem>
8626   <para>
8627   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
8628   </para>
8629   </listitem>
8630   <listitem>
8631   <para>
8632   No constructor of the instance type has unboxed fields.
8633   </para>
8634   </listitem>
8635   </itemizedlist>
8636 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
8637 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
8638 provided you give explicit code to override any generic default methods.
8639 </para>
8640 </listitem>
8641
8642 </itemizedlist>
8643 </para>
8644
8645 <para>
8646 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
8647 what the compiler does with generic declarations.
8648 </para>
8649
8650 </sect2>
8651
8652 <sect2> <title> Another example </title>
8653 <para>
8654 Just to finish with, here's another example I rather like:
8655 <programlisting>
8656   class Tag a where
8657     nCons :: a -> Int
8658     nCons {| Unit |}    _ = 1
8659     nCons {| a :*: b |} _ = 1
8660     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
8661   
8662     tag :: a -> Int
8663     tag {| Unit |}    _       = 1
8664     tag {| a :*: b |} _       = 1   
8665     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
8666     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
8667 </programlisting>
8668 </para>
8669 </sect2>
8670 </sect1>
8671
8672 <sect1 id="monomorphism">
8673 <title>Control over monomorphism</title>
8674
8675 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
8676 carried out at let and where bindings.
8677 </para>
8678
8679 <sect2>
8680 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
8681           <indexterm><primary><option>-XNoMonomorphismRestriction</option></primary></indexterm>
8682
8683 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
8684 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
8685 4.5.5</ulink>
8686 of the Haskell Report)
8687 can be completely switched off by
8688 <option>-XNoMonomorphismRestriction</option>.
8689 </para>
8690 </sect2>
8691
8692 <sect2>
8693 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
8694           <indexterm><primary><option>-XNoMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8695           <indexterm><primary><option>-XMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8696
8697           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
8698           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
8699             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
8700             and is not a simple variable.  For example:
8701 <programlisting>
8702   f x = x                    -- Not a pattern binding
8703   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
8704   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
8705
8706   (g,h) = e                  -- A pattern binding
8707   (f) = e                    -- A pattern binding
8708   [x] = e                    -- A pattern binding
8709 </programlisting>
8710 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
8711 default</emphasis>.  Use <option>-XNoMonoPatBinds</option> to recover the
8712 standard behaviour.
8713 </para>
8714 </sect2>
8715 </sect1>
8716
8717
8718
8719 <!-- Emacs stuff:
8720      ;;; Local Variables: ***
8721      ;;; mode: xml ***
8722      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
8723      ;;; ispell-local-dictionary: "british" ***
8724      ;;; End: ***
8725  -->
8726