Document GADTSyntax extension
[ghc-hetmet.git] / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They can all be enabled or disabled by commandline flags
7 or language pragmas. By default GHC understands the most recent Haskell
8 version it supports, plus a handful of extensions.
9 </para>
10
11 <para>
12 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
13 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
14 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
15 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
16 on performance because of the implementation costs of Haskell's
17 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
18 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
19 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
20 </para>
21
22 <para>
23 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
24 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
25 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
26 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
27 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
28 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
29 </para>
30
31 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
32   <sect1 id="options-language">
33     <title>Language options</title>
34
35     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
36     </indexterm>
37     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
38     </indexterm>
39     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
40     </indexterm>
41
42     <para>The language option flags control what variation of the language are
43     permitted.</para>
44
45     <para>Language options can be controlled in two ways:
46     <itemizedlist>
47       <listitem><para>Every language option can switched on by a command-line flag "<option>-X...</option>" 
48         (e.g. <option>-XTemplateHaskell</option>), and switched off by the flag "<option>-XNo...</option>"; 
49         (e.g. <option>-XNoTemplateHaskell</option>).</para></listitem>
50       <listitem><para>
51           Language options recognised by Cabal can also be enabled using the <literal>LANGUAGE</literal> pragma,
52           thus <literal>{-# LANGUAGE TemplateHaskell #-}</literal> (see <xref linkend="language-pragma"/>). </para>
53           </listitem>
54       </itemizedlist></para>
55
56     <para>The flag <option>-fglasgow-exts</option>
57           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
58           is equivalent to enabling the following extensions: 
59           &what_glasgow_exts_does;
60             Enabling these options is the <emphasis>only</emphasis> 
61             effect of <option>-fglasgow-exts</option>.
62           We are trying to move away from this portmanteau flag, 
63           and towards enabling features individually.</para>
64
65   </sect1>
66
67 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
68 <sect1 id="primitives">
69   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
70
71 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations;
72 "primitive" in the sense that they cannot be defined in Haskell itself.
73 While you really can use this stuff to write fast code,
74   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
75   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
76   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
77   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
78   about it.</para>
79
80 <para>All these primitive data types and operations are exported by the 
81 library <literal>GHC.Prim</literal>, for which there is 
82 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html">detailed online documentation</ulink>.
83 (This documentation is generated from the file <filename>compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.)
84 </para>
85 <para>
86 If you want to mention any of the primitive data types or operations in your
87 program, you must first import <literal>GHC.Prim</literal> to bring them
88 into scope.  Many of them have names ending in "&num;", and to mention such
89 names you need the <option>-XMagicHash</option> extension (<xref linkend="magic-hash"/>).
90 </para>
91
92 <para>The primops make extensive use of <link linkend="glasgow-unboxed">unboxed types</link> 
93 and <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link>, which
94 we briefly summarise here. </para>
95   
96 <sect2 id="glasgow-unboxed">
97 <title>Unboxed types
98 </title>
99
100 <para>
101 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
102 </para>
103
104 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
105 that values of that type are represented by a pointer to a heap
106 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
107 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
108 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
109 allocation are involved.
110 </para>
111
112 <para>
113 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
114 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
115 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
116 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
117 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
118 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
119 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
120 know and love&mdash;usually one instruction.
121 </para>
122
123 <para>
124 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
125 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
126 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
127 bottom.  We use the convention (but it is only a convention) 
128 that primitive types, values, and
129 operations have a <literal>&num;</literal> suffix (see <xref linkend="magic-hash"/>).
130 For some primitive types we have special syntax for literals, also
131 described in the <link linkend="magic-hash">same section</link>.
132 </para>
133
134 <para>
135 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
136 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
137 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
138 a primitive value might be represented by a pointer to a
139 heap-allocated object.  Examples include
140 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
141 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
142 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
143 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
144 represents a primitive value, then it really does point to that value:
145 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
146 other end of the pointer than the primitive value.
147 A numerically-intensive program using unboxed types can
148 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
149 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
150 </para>
151
152 <para>
153 There are some restrictions on the use of primitive types:
154 <itemizedlist>
155 <listitem><para>The main restriction
156 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
157 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
158 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
159 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
160 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
161 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
162 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
163 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
164 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
165 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
166 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
167 </para>
168 </listitem>
169 <listitem><para> You cannot define a newtype whose representation type
170 (the argument type of the data constructor) is an unboxed type.  Thus,
171 this is illegal:
172 <programlisting>
173   newtype A = MkA Int#
174 </programlisting>
175 </para></listitem>
176 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
177 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
178 </para></listitem>
179 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
180 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
181 </para></listitem>
182 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
183 non-top-level) pattern binding, but you must make any such pattern-match
184 strict.  For example, rather than:
185 <programlisting>
186   data Foo = Foo Int Int#
187
188   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
189 </programlisting>
190 you must write:
191 <programlisting>
192   data Foo = Foo Int Int#
193
194   f x = let !(Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
195 </programlisting>
196 since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>.
197 </para>
198 </listitem>
199 </itemizedlist>
200 </para>
201
202 </sect2>
203
204 <sect2 id="unboxed-tuples">
205 <title>Unboxed Tuples
206 </title>
207
208 <para>
209 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
210 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
211 unboxed tuple looks like this:
212 </para>
213
214 <para>
215
216 <programlisting>
217 (# e_1, ..., e_n #)
218 </programlisting>
219
220 </para>
221
222 <para>
223 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
224 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
225 the same.
226 </para>
227
228 <para>
229 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
230 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
231 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
232 components are put directly into registers or on the stack; the
233 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
234 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
235 tuples.
236 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
237 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
238 </para>
239
240 <para>
241 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
242 <itemizedlist>
243 <listitem>
244
245 <para>
246 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
247 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
248 structures or passed to polymorphic functions.
249
250 </para>
251 </listitem>
252 <listitem>
253
254 <para>
255 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
256 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
257
258
259 <programlisting>
260   data Foo = Foo (# Int, Int #)
261
262   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
263   f x = x
264
265   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
266   g (# a,b #) = a
267
268   h x = let y = (# x,x #) in ...
269 </programlisting>
270 </para>
271 </listitem>
272 </itemizedlist>
273 </para>
274 <para>
275 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
276 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
277 <programlisting>
278   f x y = (# x+1, y-1 #)
279   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
280 </programlisting>
281 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
282 <programlisting>
283   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
284 </programlisting>
285 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
286 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
287 above example desugars like this:
288 <programlisting>
289   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
290             p = fst t
291             q = snd t
292         in ..body..
293 </programlisting>
294 Indeed, the bindings can even be recursive.
295 </para>
296
297 </sect2>
298 </sect1>
299
300
301 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
302
303 <sect1 id="syntax-extns">
304 <title>Syntactic extensions</title>
305  
306     <sect2 id="unicode-syntax">
307       <title>Unicode syntax</title>
308       <para>The language
309       extension <option>-XUnicodeSyntax</option><indexterm><primary><option>-XUnicodeSyntax</option></primary></indexterm>
310       enables Unicode characters to be used to stand for certain ASCII
311       character sequences.  The following alternatives are provided:</para>
312
313       <informaltable>
314         <tgroup cols="2" align="left" colsep="1" rowsep="1">
315           <thead>
316             <row>
317               <entry>ASCII</entry>
318               <entry>Unicode alternative</entry>
319               <entry>Code point</entry>
320               <entry>Name</entry>
321             </row>
322           </thead>
323
324 <!--
325                to find the DocBook entities for these characters, find
326                the Unicode code point (e.g. 0x2237), and grep for it in
327                /usr/share/sgml/docbook/xml-dtd-*/ent/* (or equivalent on
328                your system.  Some of these Unicode code points don't have
329                equivalent DocBook entities.
330             -->
331
332           <tbody>
333             <row>
334               <entry><literal>::</literal></entry>
335               <entry>::</entry> <!-- no special char, apparently -->
336               <entry>0x2237</entry>
337               <entry>PROPORTION</entry>
338             </row>
339           </tbody>
340           <tbody>
341             <row>
342               <entry><literal>=&gt;</literal></entry>
343               <entry>&rArr;</entry>
344               <entry>0x21D2</entry>
345               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW</entry>
346             </row>
347           </tbody>
348           <tbody>
349             <row>
350               <entry><literal>forall</literal></entry>
351               <entry>&forall;</entry>
352               <entry>0x2200</entry>
353               <entry>FOR ALL</entry>
354             </row>
355           </tbody>
356           <tbody>
357             <row>
358               <entry><literal>-&gt;</literal></entry>
359               <entry>&rarr;</entry>
360               <entry>0x2192</entry>
361               <entry>RIGHTWARDS ARROW</entry>
362             </row>
363           </tbody>
364           <tbody>
365             <row>
366               <entry><literal>&lt;-</literal></entry>
367               <entry>&larr;</entry>
368               <entry>0x2190</entry>
369               <entry>LEFTWARDS ARROW</entry>
370             </row>
371           </tbody>
372
373           <tbody>
374             <row>
375               <entry>-&lt;</entry>
376               <entry>&larrtl;</entry>
377               <entry>0x2919</entry>
378               <entry>LEFTWARDS ARROW-TAIL</entry>
379             </row>
380           </tbody>
381
382           <tbody>
383             <row>
384               <entry>&gt;-</entry>
385               <entry>&rarrtl;</entry>
386               <entry>0x291A</entry>
387               <entry>RIGHTWARDS ARROW-TAIL</entry>
388             </row>
389           </tbody>
390
391           <tbody>
392             <row>
393               <entry>-&lt;&lt;</entry>
394               <entry></entry>
395               <entry>0x291B</entry>
396               <entry>LEFTWARDS DOUBLE ARROW-TAIL</entry>
397             </row>
398           </tbody>
399
400           <tbody>
401             <row>
402               <entry>&gt;&gt;-</entry>
403               <entry></entry>
404               <entry>0x291C</entry>
405               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW-TAIL</entry>
406             </row>
407           </tbody>
408
409           <tbody>
410             <row>
411               <entry>*</entry>
412               <entry>&starf;</entry>
413               <entry>0x2605</entry>
414               <entry>BLACK STAR</entry>
415             </row>
416           </tbody>
417
418         </tgroup>
419       </informaltable>
420     </sect2>
421
422     <sect2 id="magic-hash">
423       <title>The magic hash</title>
424       <para>The language extension <option>-XMagicHash</option> allows "&num;" as a
425         postfix modifier to identifiers.  Thus, "x&num;" is a valid variable, and "T&num;" is
426         a valid type constructor or data constructor.</para>
427
428       <para>The hash sign does not change sematics at all.  We tend to use variable
429         names ending in "&num;" for unboxed values or types (e.g. <literal>Int&num;</literal>), 
430         but there is no requirement to do so; they are just plain ordinary variables.
431         Nor does the <option>-XMagicHash</option> extension bring anything into scope.
432         For example, to bring <literal>Int&num;</literal> into scope you must 
433         import <literal>GHC.Prim</literal> (see <xref linkend="primitives"/>); 
434         the <option>-XMagicHash</option> extension
435         then allows you to <emphasis>refer</emphasis> to the <literal>Int&num;</literal>
436         that is now in scope.</para>
437       <para> The <option>-XMagicHash</option> also enables some new forms of literals (see <xref linkend="glasgow-unboxed"/>):
438         <itemizedlist> 
439           <listitem><para> <literal>'x'&num;</literal> has type <literal>Char&num;</literal></para> </listitem>
440           <listitem><para> <literal>&quot;foo&quot;&num;</literal> has type <literal>Addr&num;</literal></para> </listitem>
441           <listitem><para> <literal>3&num;</literal> has type <literal>Int&num;</literal>. In general,
442           any Haskell integer lexeme followed by a <literal>&num;</literal> is an <literal>Int&num;</literal> literal, e.g.
443             <literal>-0x3A&num;</literal> as well as <literal>32&num;</literal></para>.</listitem>
444           <listitem><para> <literal>3&num;&num;</literal> has type <literal>Word&num;</literal>. In general,
445           any non-negative Haskell integer lexeme followed by <literal>&num;&num;</literal>
446               is a <literal>Word&num;</literal>. </para> </listitem>
447           <listitem><para> <literal>3.2&num;</literal> has type <literal>Float&num;</literal>.</para> </listitem>
448           <listitem><para> <literal>3.2&num;&num;</literal> has type <literal>Double&num;</literal></para> </listitem>
449           </itemizedlist>
450       </para>
451    </sect2>
452
453     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
454
455
456     <sect2 id="hierarchical-modules">
457       <title>Hierarchical Modules</title>
458
459       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
460       names: a module name is allowed to contain a dot
461       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
462       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
463       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
464       more flexible hierarchy of modules.</para>
465
466       <para>This extension has very little impact on the language
467       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
468       qualified, so you can just think of the fully qualified module
469       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
470       means that the full module name must be given after the
471       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
472       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
473       begin</para>
474
475 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
476
477
478       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
479       keyword to save some typing when using qualified names with
480       hierarchical modules.  For example:</para>
481
482 <programlisting>
483 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
484 </programlisting>
485
486       <para>For details on how GHC searches for source and interface
487       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
488       linkend="search-path"/>.</para>
489
490       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
491       hierarchically; see the accompanying <ulink
492       url="../libraries/index.html">library
493       documentation</ulink>.  More libraries to install are available
494       from <ulink
495       url="http://hackage.haskell.org/packages/hackage.html">HackageDB</ulink>.</para>
496     </sect2>
497
498     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
499
500 <sect2 id="pattern-guards">
501 <title>Pattern guards</title>
502
503 <para>
504 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
505 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ulink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
506 </para>
507
508 <para>
509 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
510 lookup operation:
511
512 <programlisting>
513 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
514 </programlisting>
515
516 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
517 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
518 </para>
519
520 <programlisting>
521 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
522 | otherwise  = var1 + var2
523 where
524   m1 = lookup env var1
525   m2 = lookup env var2
526   ok1 = maybeToBool m1
527   ok2 = maybeToBool m2
528   val1 = expectJust m1
529   val2 = expectJust m2
530 </programlisting>
531
532 <para>
533 The auxiliary functions are 
534 </para>
535
536 <programlisting>
537 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
538 maybeToBool (Just x) = True
539 maybeToBool Nothing  = False
540
541 expectJust :: Maybe a -&gt; a
542 expectJust (Just x) = x
543 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
544 </programlisting>
545
546 <para>
547 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
548 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
549 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
550 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
551 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
552 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
553 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
554 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
555 </para>
556
557 <para>
558 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
559 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
560 to write clunky would be to use case expressions:
561 </para>
562
563 <programlisting>
564 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
565   Nothing -&gt; fail
566   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
567     Nothing -&gt; fail
568     Just val2 -&gt; val1 + val2
569 where
570   fail = var1 + var2
571 </programlisting>
572
573 <para>
574 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
575 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
576 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
577 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
578 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
579 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
580 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
581 tends to become more and more indented. 
582 </para>
583
584 <para>
585 Here is how I would write clunky:
586 </para>
587
588 <programlisting>
589 clunky env var1 var2
590   | Just val1 &lt;- lookup env var1
591   , Just val2 &lt;- lookup env var2
592   = val1 + val2
593 ...other equations for clunky...
594 </programlisting>
595
596 <para>
597 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
598 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
599 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
600 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
601 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
602 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
603 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
604 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
605 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
606 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
607 </para>
608
609 <para>
610 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
611 with among the pattern guards.  For example:
612 </para>
613
614 <programlisting>
615 f x | [y] &lt;- x
616     , y > 3
617     , Just z &lt;- h y
618     = ...
619 </programlisting>
620
621 <para>
622 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
623 qualifier list has just one element, a boolean expression.
624 </para>
625 </sect2>
626
627     <!-- ===================== View patterns ===================  -->
628
629 <sect2 id="view-patterns">
630 <title>View patterns
631 </title>
632
633 <para>
634 View patterns are enabled by the flag <literal>-XViewPatterns</literal>.
635 More information and examples of view patterns can be found on the
636 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/ViewPatterns">Wiki
637 page</ulink>.
638 </para>
639
640 <para>
641 View patterns are somewhat like pattern guards that can be nested inside
642 of other patterns.  They are a convenient way of pattern-matching
643 against values of abstract types. For example, in a programming language
644 implementation, we might represent the syntax of the types of the
645 language as follows:
646
647 <programlisting>
648 type Typ
649  
650 data TypView = Unit
651              | Arrow Typ Typ
652
653 view :: Type -> TypeView
654
655 -- additional operations for constructing Typ's ...
656 </programlisting>
657
658 The representation of Typ is held abstract, permitting implementations
659 to use a fancy representation (e.g., hash-consing to manage sharing).
660
661 Without view patterns, using this signature a little inconvenient: 
662 <programlisting>
663 size :: Typ -> Integer
664 size t = case view t of
665   Unit -> 1
666   Arrow t1 t2 -> size t1 + size t2
667 </programlisting>
668
669 It is necessary to iterate the case, rather than using an equational
670 function definition. And the situation is even worse when the matching
671 against <literal>t</literal> is buried deep inside another pattern.
672 </para>
673
674 <para>
675 View patterns permit calling the view function inside the pattern and
676 matching against the result: 
677 <programlisting>
678 size (view -> Unit) = 1
679 size (view -> Arrow t1 t2) = size t1 + size t2
680 </programlisting>
681
682 That is, we add a new form of pattern, written
683 <replaceable>expression</replaceable> <literal>-></literal>
684 <replaceable>pattern</replaceable> that means "apply the expression to
685 whatever we're trying to match against, and then match the result of
686 that application against the pattern". The expression can be any Haskell
687 expression of function type, and view patterns can be used wherever
688 patterns are used.
689 </para>
690
691 <para>
692 The semantics of a pattern <literal>(</literal>
693 <replaceable>exp</replaceable> <literal>-></literal>
694 <replaceable>pat</replaceable> <literal>)</literal> are as follows:
695
696 <itemizedlist>
697
698 <listitem> Scoping:
699
700 <para>The variables bound by the view pattern are the variables bound by
701 <replaceable>pat</replaceable>.
702 </para>
703
704 <para>
705 Any variables in <replaceable>exp</replaceable> are bound occurrences,
706 but variables bound "to the left" in a pattern are in scope.  This
707 feature permits, for example, one argument to a function to be used in
708 the view of another argument.  For example, the function
709 <literal>clunky</literal> from <xref linkend="pattern-guards" /> can be
710 written using view patterns as follows:
711
712 <programlisting>
713 clunky env (lookup env -> Just val1) (lookup env -> Just val2) = val1 + val2
714 ...other equations for clunky...
715 </programlisting>
716 </para>
717
718 <para>
719 More precisely, the scoping rules are: 
720 <itemizedlist>
721 <listitem>
722 <para>
723 In a single pattern, variables bound by patterns to the left of a view
724 pattern expression are in scope. For example:
725 <programlisting>
726 example :: Maybe ((String -> Integer,Integer), String) -> Bool
727 example Just ((f,_), f -> 4) = True
728 </programlisting>
729
730 Additionally, in function definitions, variables bound by matching earlier curried
731 arguments may be used in view pattern expressions in later arguments:
732 <programlisting>
733 example :: (String -> Integer) -> String -> Bool
734 example f (f -> 4) = True
735 </programlisting>
736 That is, the scoping is the same as it would be if the curried arguments
737 were collected into a tuple.  
738 </para>
739 </listitem>
740
741 <listitem>
742 <para>
743 In mutually recursive bindings, such as <literal>let</literal>,
744 <literal>where</literal>, or the top level, view patterns in one
745 declaration may not mention variables bound by other declarations.  That
746 is, each declaration must be self-contained.  For example, the following
747 program is not allowed:
748 <programlisting>
749 let {(x -> y) = e1 ;
750      (y -> x) = e2 } in x
751 </programlisting>
752
753 (For some amplification on this design choice see 
754 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/ticket/4061">Trac #4061</ulink>.)
755
756 </para>
757 </listitem>
758 </itemizedlist>
759
760 </para>
761 </listitem>
762
763 <listitem><para> Typing: If <replaceable>exp</replaceable> has type
764 <replaceable>T1</replaceable> <literal>-></literal>
765 <replaceable>T2</replaceable> and <replaceable>pat</replaceable> matches
766 a <replaceable>T2</replaceable>, then the whole view pattern matches a
767 <replaceable>T1</replaceable>.
768 </para></listitem>
769
770 <listitem><para> Matching: To the equations in Section 3.17.3 of the
771 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/">Haskell 98
772 Report</ulink>, add the following:
773 <programlisting>
774 case v of { (e -> p) -> e1 ; _ -> e2 } 
775  = 
776 case (e v) of { p -> e1 ; _ -> e2 }
777 </programlisting>
778 That is, to match a variable <replaceable>v</replaceable> against a pattern
779 <literal>(</literal> <replaceable>exp</replaceable>
780 <literal>-></literal> <replaceable>pat</replaceable>
781 <literal>)</literal>, evaluate <literal>(</literal>
782 <replaceable>exp</replaceable> <replaceable> v</replaceable>
783 <literal>)</literal> and match the result against
784 <replaceable>pat</replaceable>.  
785 </para></listitem>
786
787 <listitem><para> Efficiency: When the same view function is applied in
788 multiple branches of a function definition or a case expression (e.g.,
789 in <literal>size</literal> above), GHC makes an attempt to collect these
790 applications into a single nested case expression, so that the view
791 function is only applied once.  Pattern compilation in GHC follows the
792 matrix algorithm described in Chapter 4 of <ulink
793 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/slpj-book-1987/">The
794 Implementation of Functional Programming Languages</ulink>.  When the
795 top rows of the first column of a matrix are all view patterns with the
796 "same" expression, these patterns are transformed into a single nested
797 case.  This includes, for example, adjacent view patterns that line up
798 in a tuple, as in
799 <programlisting>
800 f ((view -> A, p1), p2) = e1
801 f ((view -> B, p3), p4) = e2
802 </programlisting>
803 </para>
804
805 <para> The current notion of when two view pattern expressions are "the
806 same" is very restricted: it is not even full syntactic equality.
807 However, it does include variables, literals, applications, and tuples;
808 e.g., two instances of <literal>view ("hi", "there")</literal> will be
809 collected.  However, the current implementation does not compare up to
810 alpha-equivalence, so two instances of <literal>(x, view x ->
811 y)</literal> will not be coalesced.
812 </para>
813
814 </listitem>
815
816 </itemizedlist>
817 </para>
818
819 </sect2>
820
821     <!-- ===================== n+k patterns ===================  -->
822
823 <sect2 id="n-k-patterns">
824 <title>n+k patterns</title>
825 <indexterm><primary><option>-XNoNPlusKPatterns</option></primary></indexterm>
826
827 <para>
828 <literal>n+k</literal> pattern support is enabled by default. To disable
829 it, you can use the <option>-XNoNPlusKPatterns</option> flag.
830 </para>
831
832 </sect2>
833
834     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
835
836 <sect2 id="recursive-do-notation">
837 <title>The recursive do-notation
838 </title>
839
840 <para>
841 The do-notation of Haskell 98 does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
842 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
843 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
844 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
845 the do-notation.  The <option>-XDoRec</option> flag provides the necessary syntactic support.
846 </para>
847 <para>
848 Here is a simple (albeit contrived) example:
849 <programlisting>
850 {-# LANGUAGE DoRec #-}
851 justOnes = do { rec { xs &lt;- Just (1:xs) }
852               ; return (map negate xs) }
853 </programlisting>
854 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [-1,-1,-1,...</literal>.
855 </para>
856 <para>
857 The background and motivation for recursive do-notation is described in
858 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/">A recursive do for Haskell</ulink>,
859 by Levent Erkok, John Launchbury,
860 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
861 The theory behind monadic value recursion is explained further in Erkok's thesis
862 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/erkok-thesis.pdf">Value Recursion in Monadic Computations</ulink>.
863 However, note that GHC uses a different syntax than the one described in these documents.
864 </para>
865
866 <sect3>
867 <title>Details of recursive do-notation</title>
868 <para>
869 The recursive do-notation is enabled with the flag <option>-XDoRec</option> or, equivalently,
870 the LANGUAGE pragma <option>DoRec</option>.  It introduces the single new keyword "<literal>rec</literal>",
871 which wraps a mutually-recursive group of monadic statements,
872 producing a single statement.
873 </para>
874 <para>Similar to a <literal>let</literal>
875 statement, the variables bound in the <literal>rec</literal> are 
876 visible throughout the <literal>rec</literal> group, and below it.
877 For example, compare
878 <programlisting>
879 do { a &lt;- getChar              do { a &lt;- getChar                    
880    ; let { r1 = f a r2             ; rec { r1 &lt;- f a r2      
881          ; r2 = g r1 }                   ; r2 &lt;- g r1 }      
882    ; return (r1 ++ r2) }          ; return (r1 ++ r2) }
883 </programlisting>
884 In both cases, <literal>r1</literal> and <literal>r2</literal> are 
885 available both throughout the <literal>let</literal> or <literal>rec</literal> block, and
886 in the statements that follow it.  The difference is that <literal>let</literal> is non-monadic,
887 while <literal>rec</literal> is monadic.  (In Haskell <literal>let</literal> is 
888 really <literal>letrec</literal>, of course.)
889 </para>
890 <para>
891 The static and dynamic semantics of <literal>rec</literal> can be described as follows:  
892 <itemizedlist>
893 <listitem><para>
894 First,
895 similar to let-bindings, the <literal>rec</literal> is broken into 
896 minimal recursive groups, a process known as <emphasis>segmentation</emphasis>.
897 For example:
898 <programlisting>
899 rec { a &lt;- getChar      ===>     a &lt;- getChar
900     ; b &lt;- f a c                 rec { b &lt;- f a c
901     ; c &lt;- f b a                     ; c &lt;- f b a }
902     ; putChar c }                putChar c 
903 </programlisting>
904 The details of segmentation are described in Section 3.2 of
905 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/">A recursive do for Haskell</ulink>.
906 Segmentation improves polymorphism, reduces the size of the recursive "knot", and, as the paper 
907 describes, also has a semantic effect (unless the monad satisfies the right-shrinking law).
908 </para></listitem>
909 <listitem><para>
910 Then each resulting <literal>rec</literal> is desugared, using a call to <literal>Control.Monad.Fix.mfix</literal>.
911 For example, the <literal>rec</literal> group in the preceding example is desugared like this:
912 <programlisting>
913 rec { b &lt;- f a c     ===>    (b,c) &lt;- mfix (\~(b,c) -> do { b &lt;- f a c
914     ; c &lt;- f b a }                                        ; c &lt;- f b a
915                                                           ; return (b,c) })
916 </programlisting>
917 In general, the statment <literal>rec <replaceable>ss</replaceable></literal>
918 is desugared to the statement
919 <programlisting>
920 <replaceable>vs</replaceable> &lt;- mfix (\~<replaceable>vs</replaceable> -&gt; do { <replaceable>ss</replaceable>; return <replaceable>vs</replaceable> })
921 </programlisting>
922 where <replaceable>vs</replaceable> is a tuple of the variables bound by <replaceable>ss</replaceable>.
923 </para><para>
924 The original <literal>rec</literal> typechecks exactly 
925 when the above desugared version would do so.  For example, this means that 
926 the variables <replaceable>vs</replaceable> are all monomorphic in the statements
927 following the <literal>rec</literal>, because they are bound by a lambda.
928 </para>
929 <para>
930 The <literal>mfix</literal> function is defined in the <literal>MonadFix</literal> 
931 class, in <literal>Control.Monad.Fix</literal>, thus:
932 <programlisting>
933 class Monad m => MonadFix m where
934    mfix :: (a -> m a) -> m a
935 </programlisting>
936 </para>
937 </listitem>
938 </itemizedlist>
939 </para>
940 <para>
941 Here are some other important points in using the recursive-do notation:
942 <itemizedlist>
943 <listitem><para>
944 It is enabled with the flag <literal>-XDoRec</literal>, which is in turn implied by
945 <literal>-fglasgow-exts</literal>.
946 </para></listitem>
947
948 <listitem><para>
949 If recursive bindings are required for a monad,
950 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
951 </para></listitem>
952
953 <listitem><para>
954 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
955 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
956 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
957 </para></listitem>
958
959 <listitem><para>
960 Like <literal>let</literal> and <literal>where</literal> bindings,
961 name shadowing is not allowed within a <literal>rec</literal>; 
962 that is, all the names bound in a single <literal>rec</literal> must
963 be distinct (Section 3.3 of the paper).
964 </para></listitem>
965 <listitem><para>
966 It supports rebindable syntax (see <xref linkend="rebindable-syntax"/>).
967 </para></listitem>
968 </itemizedlist>
969 </para>
970 </sect3>
971
972 <sect3 id="mdo-notation"> <title> Mdo-notation (deprecated) </title>
973
974 <para> GHC used to support the flag <option>-XRecursiveDo</option>,
975 which enabled the keyword <literal>mdo</literal>, precisely as described in
976 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/">A recursive do for Haskell</ulink>,
977 but this is now deprecated.  Instead of <literal>mdo { Q; e }</literal>, write
978 <literal>do { rec Q; e }</literal>.
979 </para>
980 <para>
981 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
982 of the existing documents) used the name
983 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
984 This name is not supported by GHC.
985 </para>
986 </sect3>
987
988 </sect2>
989
990
991    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
992
993   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
994     <title>Parallel List Comprehensions</title>
995     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
996     </indexterm>
997     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
998     </indexterm>
999
1000     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
1001     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
1002     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
1003     extend this to include the zipWith family.</para>
1004
1005     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
1006     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
1007     example, the following zips together two lists:</para>
1008
1009 <programlisting>
1010    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
1011 </programlisting>
1012
1013     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
1014     zip, in that the resulting list will have the same length as the
1015     shortest branch.</para>
1016
1017     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
1018     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
1019
1020     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
1021
1022 <programlisting>
1023    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
1024        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
1025        ... 
1026    ] 
1027 </programlisting>
1028
1029     <para>This will be translated to: </para>
1030
1031 <programlisting>
1032    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
1033                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
1034                                          ... 
1035    ] 
1036 </programlisting>
1037
1038     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
1039     branches.</para>
1040
1041   </sect2>
1042   
1043   <!-- ===================== TRANSFORM LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
1044
1045   <sect2 id="generalised-list-comprehensions">
1046     <title>Generalised (SQL-Like) List Comprehensions</title>
1047     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>generalised</secondary>
1048     </indexterm>
1049     <indexterm><primary>extended list comprehensions</primary>
1050     </indexterm>
1051     <indexterm><primary>group</primary></indexterm>
1052     <indexterm><primary>sql</primary></indexterm>
1053
1054
1055     <para>Generalised list comprehensions are a further enhancement to the
1056     list comprehension syntactic sugar to allow operations such as sorting
1057     and grouping which are familiar from SQL.   They are fully described in the
1058         paper <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/list-comp">
1059           Comprehensive comprehensions: comprehensions with "order by" and "group by"</ulink>,
1060     except that the syntax we use differs slightly from the paper.</para>
1061 <para>The extension is enabled with the flag <option>-XTransformListComp</option>.</para>
1062 <para>Here is an example: 
1063 <programlisting>
1064 employees = [ ("Simon", "MS", 80)
1065 , ("Erik", "MS", 100)
1066 , ("Phil", "Ed", 40)
1067 , ("Gordon", "Ed", 45)
1068 , ("Paul", "Yale", 60)]
1069
1070 output = [ (the dept, sum salary)
1071 | (name, dept, salary) &lt;- employees
1072 , then group by dept
1073 , then sortWith by (sum salary)
1074 , then take 5 ]
1075 </programlisting>
1076 In this example, the list <literal>output</literal> would take on 
1077     the value:
1078     
1079 <programlisting>
1080 [("Yale", 60), ("Ed", 85), ("MS", 180)]
1081 </programlisting>
1082 </para>
1083 <para>There are three new keywords: <literal>group</literal>, <literal>by</literal>, and <literal>using</literal>.
1084 (The function <literal>sortWith</literal> is not a keyword; it is an ordinary
1085 function that is exported by <literal>GHC.Exts</literal>.)</para>
1086
1087 <para>There are five new forms of comprehension qualifier,
1088 all introduced by the (existing) keyword <literal>then</literal>:
1089     <itemizedlist>
1090     <listitem>
1091     
1092 <programlisting>
1093 then f
1094 </programlisting>
1095
1096     This statement requires that <literal>f</literal> have the type <literal>
1097     forall a. [a] -> [a]</literal>. You can see an example of its use in the
1098     motivating example, as this form is used to apply <literal>take 5</literal>.
1099     
1100     </listitem>
1101     
1102     
1103     <listitem>
1104 <para>
1105 <programlisting>
1106 then f by e
1107 </programlisting>
1108
1109     This form is similar to the previous one, but allows you to create a function
1110     which will be passed as the first argument to f. As a consequence f must have 
1111     the type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [a]</literal>. As you can see
1112     from the type, this function lets f &quot;project out&quot; some information 
1113     from the elements of the list it is transforming.</para>
1114
1115     <para>An example is shown in the opening example, where <literal>sortWith</literal> 
1116     is supplied with a function that lets it find out the <literal>sum salary</literal> 
1117     for any item in the list comprehension it transforms.</para>
1118
1119     </listitem>
1120
1121
1122     <listitem>
1123
1124 <programlisting>
1125 then group by e using f
1126 </programlisting>
1127
1128     <para>This is the most general of the grouping-type statements. In this form,
1129     f is required to have type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [[a]]</literal>.
1130     As with the <literal>then f by e</literal> case above, the first argument
1131     is a function supplied to f by the compiler which lets it compute e on every
1132     element of the list being transformed. However, unlike the non-grouping case,
1133     f additionally partitions the list into a number of sublists: this means that
1134     at every point after this statement, binders occurring before it in the comprehension
1135     refer to <emphasis>lists</emphasis> of possible values, not single values. To help understand
1136     this, let's look at an example:</para>
1137     
1138 <programlisting>
1139 -- This works similarly to groupWith in GHC.Exts, but doesn't sort its input first
1140 groupRuns :: Eq b => (a -> b) -> [a] -> [[a]]
1141 groupRuns f = groupBy (\x y -> f x == f y)
1142
1143 output = [ (the x, y)
1144 | x &lt;- ([1..3] ++ [1..2])
1145 , y &lt;- [4..6]
1146 , then group by x using groupRuns ]
1147 </programlisting>
1148
1149     <para>This results in the variable <literal>output</literal> taking on the value below:</para>
1150
1151 <programlisting>
1152 [(1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6]), (3, [4, 5, 6]), (1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6])]
1153 </programlisting>
1154
1155     <para>Note that we have used the <literal>the</literal> function to change the type 
1156     of x from a list to its original numeric type. The variable y, in contrast, is left 
1157     unchanged from the list form introduced by the grouping.</para>
1158
1159     </listitem>
1160
1161     <listitem>
1162
1163 <programlisting>
1164 then group by e
1165 </programlisting>
1166
1167     <para>This form of grouping is essentially the same as the one described above. However,
1168     since no function to use for the grouping has been supplied it will fall back on the
1169     <literal>groupWith</literal> function defined in 
1170     <ulink url="&libraryBaseLocation;/GHC-Exts.html"><literal>GHC.Exts</literal></ulink>. This
1171     is the form of the group statement that we made use of in the opening example.</para>
1172
1173     </listitem>
1174     
1175     
1176     <listitem>
1177
1178 <programlisting>
1179 then group using f
1180 </programlisting>
1181
1182     <para>With this form of the group statement, f is required to simply have the type
1183     <literal>forall a. [a] -> [[a]]</literal>, which will be used to group up the
1184     comprehension so far directly. An example of this form is as follows:</para>
1185     
1186 <programlisting>
1187 output = [ x
1188 | y &lt;- [1..5]
1189 , x &lt;- "hello"
1190 , then group using inits]
1191 </programlisting>
1192
1193     <para>This will yield a list containing every prefix of the word "hello" written out 5 times:</para>
1194
1195 <programlisting>
1196 ["","h","he","hel","hell","hello","helloh","hellohe","hellohel","hellohell","hellohello","hellohelloh",...]
1197 </programlisting>
1198
1199     </listitem>
1200 </itemizedlist>
1201 </para>
1202   </sect2>
1203
1204    <!-- ===================== REBINDABLE SYNTAX ===================  -->
1205
1206 <sect2 id="rebindable-syntax">
1207 <title>Rebindable syntax and the implicit Prelude import</title>
1208
1209  <para><indexterm><primary>-XNoImplicitPrelude
1210  option</primary></indexterm> GHC normally imports
1211  <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
1212  rather it didn't, then give it a
1213  <option>-XNoImplicitPrelude</option> option.  The idea is
1214  that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
1215  call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
1216  namespace is flat, and you must not conflict with any
1217  Prelude module.)</para>
1218
1219             <para>Suppose you are importing a Prelude of your own
1220               in order to define your own numeric class
1221             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
1222             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
1223             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
1224             So the <option>-XRebindableSyntax</option> 
1225               flag causes
1226             the following pieces of built-in syntax to refer to
1227             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
1228             versions:
1229             <itemizedlist>
1230               <listitem>
1231                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
1232                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
1233                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
1234 </para> </listitem>         
1235
1236       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
1237           except that the translation is 
1238               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
1239 </para> </listitem>         
1240
1241           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
1242               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
1243 </para> </listitem>         
1244
1245           <listitem><para>The subtraction operation, and the
1246           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
1247               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
1248               </para></listitem>
1249
1250               <listitem>
1251                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
1252                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
1253                 patterns, and expressions.
1254               </para></listitem>
1255
1256               <listitem>
1257                 <para>Conditionals (e.g. "<literal>if</literal> e1 <literal>then</literal> e2 <literal>else</literal> e3")
1258                 means "<literal>ifThenElse</literal> e1 e2 e3".  However <literal>case</literal> expressions are unaffected.
1259               </para></listitem>
1260
1261               <listitem>
1262           <para>"Do" notation is translated using whatever
1263               functions <literal>(>>=)</literal>,
1264               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
1265               are in scope (not the Prelude
1266               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
1267               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
1268
1269               <listitem>
1270                 <para>Arrow
1271                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
1272                 uses whatever <literal>arr</literal>,
1273                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
1274                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
1275                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
1276                 other constructs, the types of these functions must match the
1277                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
1278                 to use this, ask!
1279               </para></listitem>
1280             </itemizedlist>
1281 <option>-XRebindableSyntax</option> implies <option>-XNoImplicitPrelude</option>.
1282 </para>
1283 <para>
1284 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
1285 even if that is a little unexpected. For example, the 
1286 static semantics of the literal <literal>368</literal>
1287 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
1288 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
1289 <programlisting>
1290 fromInteger :: Integer -> Integer
1291 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
1292 fromInteger :: Num a => a -> Integer
1293 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
1294 </programlisting>
1295 </para>
1296                 
1297              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
1298              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
1299              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
1300              you should be all right.</para>
1301
1302 </sect2>
1303
1304 <sect2 id="postfix-operators">
1305 <title>Postfix operators</title>
1306
1307 <para>
1308   The <option>-XPostfixOperators</option> flag enables a small
1309 extension to the syntax of left operator sections, which allows you to
1310 define postfix operators.  The extension is this: the left section
1311 <programlisting>
1312   (e !)
1313 </programlisting>
1314 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
1315 <programlisting>
1316   ((!) e)
1317 </programlisting>
1318 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
1319 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
1320 <programlisting>
1321   (\y -> (!) e y)
1322 </programlisting>
1323 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
1324 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
1325 postfix.
1326 </para>
1327 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
1328 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
1329
1330 </sect2>
1331
1332 <sect2 id="tuple-sections">
1333 <title>Tuple sections</title>
1334
1335 <para>
1336   The <option>-XTupleSections</option> flag enables Python-style partially applied
1337   tuple constructors. For example, the following program
1338 <programlisting>
1339   (, True)
1340 </programlisting>
1341   is considered to be an alternative notation for the more unwieldy alternative
1342 <programlisting>
1343   \x -> (x, True)
1344 </programlisting>
1345 You can omit any combination of arguments to the tuple, as in the following
1346 <programlisting>
1347   (, "I", , , "Love", , 1337)
1348 </programlisting>
1349 which translates to
1350 <programlisting>
1351   \a b c d -> (a, "I", b, c, "Love", d, 1337)
1352 </programlisting>
1353 </para>
1354
1355 <para>
1356   If you have <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link> enabled, tuple sections
1357   will also be available for them, like so
1358 <programlisting>
1359   (# , True #)
1360 </programlisting>
1361 Because there is no unboxed unit tuple, the following expression
1362 <programlisting>
1363   (# #)
1364 </programlisting>
1365 continues to stand for the unboxed singleton tuple data constructor.
1366 </para>
1367
1368 </sect2>
1369
1370 <sect2 id="disambiguate-fields">
1371 <title>Record field disambiguation</title>
1372 <para>
1373 In record construction and record pattern matching
1374 it is entirely unambiguous which field is referred to, even if there are two different
1375 data types in scope with a common field name.  For example:
1376 <programlisting>
1377 module M where
1378   data S = MkS { x :: Int, y :: Bool }
1379
1380 module Foo where
1381   import M
1382
1383   data T = MkT { x :: Int }
1384   
1385   ok1 (MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1386   ok2 n = MkT { x = n+1 }     -- Unambiguous
1387
1388   bad1 k = k { x = 3 }  -- Ambiguous
1389   bad2 k = x k          -- Ambiguous
1390 </programlisting>
1391 Even though there are two <literal>x</literal>'s in scope,
1392 it is clear that the <literal>x</literal> in the pattern in the
1393 definition of <literal>ok1</literal> can only mean the field
1394 <literal>x</literal> from type <literal>S</literal>. Similarly for
1395 the function <literal>ok2</literal>.  However, in the record update
1396 in <literal>bad1</literal> and the record selection in <literal>bad2</literal>
1397 it is not clear which of the two types is intended.
1398 </para>
1399 <para>
1400 Haskell 98 regards all four as ambiguous, but with the
1401 <option>-XDisambiguateRecordFields</option> flag, GHC will accept
1402 the former two.  The rules are precisely the same as those for instance
1403 declarations in Haskell 98, where the method names on the left-hand side 
1404 of the method bindings in an instance declaration refer unambiguously
1405 to the method of that class (provided they are in scope at all), even
1406 if there are other variables in scope with the same name.
1407 This reduces the clutter of qualified names when you import two
1408 records from different modules that use the same field name.
1409 </para>
1410 <para>
1411 Some details:
1412 <itemizedlist>
1413 <listitem><para>
1414 Field disambiguation can be combined with punning (see <xref linkend="record-puns"/>). For exampe:
1415 <programlisting>
1416 module Foo where
1417   import M
1418   x=True
1419   ok3 (MkS { x }) = x+1   -- Uses both disambiguation and punning
1420 </programlisting>
1421 </para></listitem>
1422
1423 <listitem><para>
1424 With <option>-XDisambiguateRecordFields</option> you can use <emphasis>unqualifed</emphasis>
1425 field names even if the correponding selector is only in scope <emphasis>qualified</emphasis>
1426 For example, assuming the same module <literal>M</literal> as in our earlier example, this is legal:
1427 <programlisting>
1428 module Foo where
1429   import qualified M    -- Note qualified
1430
1431   ok4 (M.MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1432 </programlisting>
1433 Since the constructore <literal>MkS</literal> is only in scope qualified, you must
1434 name it <literal>M.MkS</literal>, but the field <literal>x</literal> does not need
1435 to be qualified even though <literal>M.x</literal> is in scope but <literal>x</literal>
1436 is not.  (In effect, it is qualified by the constructor.)
1437 </para></listitem>
1438 </itemizedlist>
1439 </para>
1440
1441 </sect2>
1442
1443     <!-- ===================== Record puns ===================  -->
1444
1445 <sect2 id="record-puns">
1446 <title>Record puns
1447 </title>
1448
1449 <para>
1450 Record puns are enabled by the flag <literal>-XNamedFieldPuns</literal>.
1451 </para>
1452
1453 <para>
1454 When using records, it is common to write a pattern that binds a
1455 variable with the same name as a record field, such as:
1456
1457 <programlisting>
1458 data C = C {a :: Int}
1459 f (C {a = a}) = a
1460 </programlisting>
1461 </para>
1462
1463 <para>
1464 Record punning permits the variable name to be elided, so one can simply
1465 write
1466
1467 <programlisting>
1468 f (C {a}) = a
1469 </programlisting>
1470
1471 to mean the same pattern as above.  That is, in a record pattern, the
1472 pattern <literal>a</literal> expands into the pattern <literal>a =
1473 a</literal> for the same name <literal>a</literal>.  
1474 </para>
1475
1476 <para>
1477 Note that:
1478 <itemizedlist>
1479 <listitem><para>
1480 Record punning can also be used in an expression, writing, for example,
1481 <programlisting>
1482 let a = 1 in C {a}
1483 </programlisting>
1484 instead of 
1485 <programlisting>
1486 let a = 1 in C {a = a}
1487 </programlisting>
1488 The expansion is purely syntactic, so the expanded right-hand side
1489 expression refers to the nearest enclosing variable that is spelled the
1490 same as the field name.
1491 </para></listitem>
1492
1493 <listitem><para>
1494 Puns and other patterns can be mixed in the same record:
1495 <programlisting>
1496 data C = C {a :: Int, b :: Int}
1497 f (C {a, b = 4}) = a
1498 </programlisting>
1499 </para></listitem>
1500
1501 <listitem><para>
1502 Puns can be used wherever record patterns occur (e.g. in
1503 <literal>let</literal> bindings or at the top-level).  
1504 </para></listitem>
1505
1506 <listitem><para>
1507 A pun on a qualified field name is expanded by stripping off the module qualifier.
1508 For example:
1509 <programlisting>
1510 f (C {M.a}) = a
1511 </programlisting>
1512 means
1513 <programlisting>
1514 f (M.C {M.a = a}) = a
1515 </programlisting>
1516 (This is useful if the field selector <literal>a</literal> for constructor <literal>M.C</literal>
1517 is only in scope in qualified form.)
1518 </para></listitem>
1519 </itemizedlist>
1520 </para>
1521
1522
1523 </sect2>
1524
1525     <!-- ===================== Record wildcards ===================  -->
1526
1527 <sect2 id="record-wildcards">
1528 <title>Record wildcards
1529 </title>
1530
1531 <para>
1532 Record wildcards are enabled by the flag <literal>-XRecordWildCards</literal>.
1533 This flag implies <literal>-XDisambiguateRecordFields</literal>.
1534 </para>
1535
1536 <para>
1537 For records with many fields, it can be tiresome to write out each field
1538 individually in a record pattern, as in
1539 <programlisting>
1540 data C = C {a :: Int, b :: Int, c :: Int, d :: Int}
1541 f (C {a = 1, b = b, c = c, d = d}) = b + c + d
1542 </programlisting>
1543 </para>
1544
1545 <para>
1546 Record wildcard syntax permits a "<literal>..</literal>" in a record
1547 pattern, where each elided field <literal>f</literal> is replaced by the
1548 pattern <literal>f = f</literal>.  For example, the above pattern can be
1549 written as
1550 <programlisting>
1551 f (C {a = 1, ..}) = b + c + d
1552 </programlisting>
1553 </para>
1554
1555 <para>
1556 More details:
1557 <itemizedlist>
1558 <listitem><para>
1559 Wildcards can be mixed with other patterns, including puns
1560 (<xref linkend="record-puns"/>); for example, in a pattern <literal>C {a
1561 = 1, b, ..})</literal>.  Additionally, record wildcards can be used
1562 wherever record patterns occur, including in <literal>let</literal>
1563 bindings and at the top-level.  For example, the top-level binding
1564 <programlisting>
1565 C {a = 1, ..} = e
1566 </programlisting>
1567 defines <literal>b</literal>, <literal>c</literal>, and
1568 <literal>d</literal>.
1569 </para></listitem>
1570
1571 <listitem><para>
1572 Record wildcards can also be used in expressions, writing, for example,
1573 <programlisting>
1574 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {..}
1575 </programlisting>
1576 in place of
1577 <programlisting>
1578 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {a=a, b=b, c=c, d=d}
1579 </programlisting>
1580 The expansion is purely syntactic, so the record wildcard
1581 expression refers to the nearest enclosing variables that are spelled
1582 the same as the omitted field names.
1583 </para></listitem>
1584
1585 <listitem><para>
1586 The "<literal>..</literal>" expands to the missing 
1587 <emphasis>in-scope</emphasis> record fields, where "in scope"
1588 includes both unqualified and qualified-only.  
1589 Any fields that are not in scope are not filled in.  For example
1590 <programlisting>
1591 module M where
1592   data R = R { a,b,c :: Int }
1593 module X where
1594   import qualified M( R(a,b) )
1595   f a b = R { .. }
1596 </programlisting>
1597 The <literal>{..}</literal> expands to <literal>{M.a=a,M.b=b}</literal>,
1598 omitting <literal>c</literal> since it is not in scope at all.
1599 </para></listitem>
1600 </itemizedlist>
1601 </para>
1602
1603 </sect2>
1604
1605     <!-- ===================== Local fixity declarations ===================  -->
1606
1607 <sect2 id="local-fixity-declarations">
1608 <title>Local Fixity Declarations
1609 </title>
1610
1611 <para>A careful reading of the Haskell 98 Report reveals that fixity
1612 declarations (<literal>infix</literal>, <literal>infixl</literal>, and
1613 <literal>infixr</literal>) are permitted to appear inside local bindings
1614 such those introduced by <literal>let</literal> and
1615 <literal>where</literal>.  However, the Haskell Report does not specify
1616 the semantics of such bindings very precisely.
1617 </para>
1618
1619 <para>In GHC, a fixity declaration may accompany a local binding:
1620 <programlisting>
1621 let f = ...
1622     infixr 3 `f`
1623 in 
1624     ...
1625 </programlisting>
1626 and the fixity declaration applies wherever the binding is in scope.
1627 For example, in a <literal>let</literal>, it applies in the right-hand
1628 sides of other <literal>let</literal>-bindings and the body of the
1629 <literal>let</literal>C. Or, in recursive <literal>do</literal>
1630 expressions (<xref linkend="recursive-do-notation"/>), the local fixity
1631 declarations of a <literal>let</literal> statement scope over other
1632 statements in the group, just as the bound name does.
1633 </para>
1634
1635 <para>
1636 Moreover, a local fixity declaration *must* accompany a local binding of
1637 that name: it is not possible to revise the fixity of name bound
1638 elsewhere, as in
1639 <programlisting>
1640 let infixr 9 $ in ...
1641 </programlisting>
1642
1643 Because local fixity declarations are technically Haskell 98, no flag is
1644 necessary to enable them.
1645 </para>
1646 </sect2>
1647
1648 <sect2 id="package-imports">
1649   <title>Package-qualified imports</title>
1650
1651   <para>With the <option>-XPackageImports</option> flag, GHC allows
1652   import declarations to be qualified by the package name that the
1653     module is intended to be imported from.  For example:</para>
1654
1655 <programlisting>
1656 import "network" Network.Socket
1657 </programlisting>
1658   
1659   <para>would import the module <literal>Network.Socket</literal> from
1660     the package <literal>network</literal> (any version).  This may
1661     be used to disambiguate an import when the same module is
1662     available from multiple packages, or is present in both the
1663     current package being built and an external package.</para>
1664
1665   <para>Note: you probably don't need to use this feature, it was
1666     added mainly so that we can build backwards-compatible versions of
1667     packages when APIs change.  It can lead to fragile dependencies in
1668     the common case: modules occasionally move from one package to
1669     another, rendering any package-qualified imports broken.</para>
1670 </sect2>
1671
1672 <sect2 id="syntax-stolen">
1673 <title>Summary of stolen syntax</title>
1674
1675     <para>Turning on an option that enables special syntax
1676     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
1677     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
1678     become a reserved word.  This section lists the syntax that is
1679     "stolen" by language extensions.
1680      We use
1681     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
1682     (see the Haskell 98 Report).  
1683     We only list syntax changes here that might affect
1684     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
1685     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
1686     cases programs written to use the new syntax would not be
1687     compilable without the option enabled.</para>
1688
1689 <para>There are two classes of special
1690     syntax:
1691
1692     <itemizedlist>
1693       <listitem>
1694         <para>New reserved words and symbols: character sequences
1695         which are no longer available for use as identifiers in the
1696         program.</para>
1697       </listitem>
1698       <listitem>
1699         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
1700         a different meaning when this particular option is turned
1701         on.</para>
1702       </listitem>
1703     </itemizedlist>
1704     
1705 The following syntax is stolen:
1706
1707     <variablelist>
1708       <varlistentry>
1709         <term>
1710           <literal>forall</literal>
1711           <indexterm><primary><literal>forall</literal></primary></indexterm>
1712         </term>
1713         <listitem><para>
1714         Stolen (in types) by: <option>-XExplicitForAll</option>, and hence by
1715             <option>-XScopedTypeVariables</option>,
1716             <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
1717             <option>-XRank2Types</option>,
1718             <option>-XRankNTypes</option>,
1719             <option>-XPolymorphicComponents</option>,
1720             <option>-XExistentialQuantification</option>
1721           </para></listitem>
1722       </varlistentry>
1723
1724       <varlistentry>
1725         <term>
1726           <literal>mdo</literal>
1727           <indexterm><primary><literal>mdo</literal></primary></indexterm>
1728         </term>
1729         <listitem><para>
1730         Stolen by: <option>-XRecursiveDo</option>,
1731           </para></listitem>
1732       </varlistentry>
1733
1734       <varlistentry>
1735         <term>
1736           <literal>foreign</literal>
1737           <indexterm><primary><literal>foreign</literal></primary></indexterm>
1738         </term>
1739         <listitem><para>
1740         Stolen by: <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
1741           </para></listitem>
1742       </varlistentry>
1743
1744       <varlistentry>
1745         <term>
1746           <literal>rec</literal>,
1747           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
1748           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
1749           <literal>&gt;&gt;-</literal>, and <literal>(|</literal>,
1750           <literal>|)</literal> brackets
1751           <indexterm><primary><literal>proc</literal></primary></indexterm>
1752         </term>
1753         <listitem><para>
1754         Stolen by: <option>-XArrows</option>,
1755           </para></listitem>
1756       </varlistentry>
1757
1758       <varlistentry>
1759         <term>
1760           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
1761           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>
1762           <indexterm><primary>implicit parameters</primary></indexterm>
1763         </term>
1764         <listitem><para>
1765         Stolen by: <option>-XImplicitParams</option>,
1766           </para></listitem>
1767       </varlistentry>
1768
1769       <varlistentry>
1770         <term>
1771           <literal>[|</literal>,
1772           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
1773           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
1774           <literal>$(</literal>,
1775           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>
1776           <indexterm><primary>Template Haskell</primary></indexterm>
1777         </term>
1778         <listitem><para>
1779         Stolen by: <option>-XTemplateHaskell</option>,
1780           </para></listitem>
1781       </varlistentry>
1782
1783       <varlistentry>
1784         <term>
1785           <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>|</literal>
1786           <indexterm><primary>quasi-quotation</primary></indexterm>
1787         </term>
1788         <listitem><para>
1789         Stolen by: <option>-XQuasiQuotes</option>,
1790           </para></listitem>
1791       </varlistentry>
1792
1793       <varlistentry>
1794         <term>
1795               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
1796               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
1797               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1798               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1799               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1800               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
1801               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
1802         </term>
1803         <listitem><para>
1804         Stolen by: <option>-XMagicHash</option>,
1805           </para></listitem>
1806       </varlistentry>
1807     </variablelist>
1808 </para>
1809 </sect2>
1810 </sect1>
1811
1812
1813 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
1814 <sect1 id="data-type-extensions">
1815 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
1816
1817 <sect2 id="nullary-types">
1818 <title>Data types with no constructors</title>
1819
1820 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
1821 a data type with no constructors.  For example:</para>
1822
1823 <programlisting>
1824   data S      -- S :: *
1825   data T a    -- T :: * -> *
1826 </programlisting>
1827
1828 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
1829 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
1830 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
1831 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
1832
1833 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
1834 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
1835 </sect2>
1836
1837 <sect2 id="datatype-contexts">
1838 <title>Data type contexts</title>
1839
1840 <para>Haskell allows datatypes to be given contexts, e.g.</para>
1841
1842 <programlisting>
1843 data Eq a => Set a = NilSet | ConsSet a (Set a)
1844 </programlisting>
1845
1846 <para>give constructors with types:</para>
1847
1848 <programlisting>
1849 NilSet :: Set a
1850 ConsSet :: Eq a => a -> Set a -> Set a
1851 </programlisting>
1852
1853 <para>In GHC this feature is an extension called
1854 <literal>DatatypeContexts</literal>, and on by default.</para>
1855 </sect2>
1856
1857 <sect2 id="infix-tycons">
1858 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
1859
1860 <para>
1861 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
1862 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
1863 <itemizedlist>
1864 <listitem><para>
1865   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
1866   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
1867   </para></listitem>
1868 <listitem><para>
1869   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
1870   if you want further arguments.  E.g.
1871 <screen>
1872   data a :*: b = Foo a b
1873   type a :+: b = Either a b
1874   class a :=: b where ...
1875
1876   data (a :**: b) x = Baz a b x
1877   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
1878 </screen>
1879   </para></listitem>
1880 <listitem><para>
1881   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
1882   <screen>
1883         x :: Int :*: Bool
1884         f :: (a :=: b) => a -> b
1885   </screen>
1886   </para></listitem>
1887 <listitem><para>
1888   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1889   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1890   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1891   parenthesised.  For example:
1892 <programlisting>
1893    type T (+) = Int + Int
1894    f :: T Either
1895    f = Left 3
1896  
1897    liftA2 :: Arrow (~>)
1898           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1899    liftA2 = ...
1900 </programlisting>
1901   </para></listitem>
1902 <listitem><para>
1903   Back-quotes work
1904   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1905   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1906   </para></listitem>
1907 <listitem><para>
1908   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1909   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1910   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1911 <screen>
1912   infixl 7 T, :*:
1913 </screen>
1914   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1915   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1916   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1917   </para></listitem>
1918 <listitem><para>
1919   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1920   </para></listitem>
1921
1922 </itemizedlist>
1923 </para>
1924 </sect2>
1925
1926 <sect2 id="type-synonyms">
1927 <title>Liberalised type synonyms</title>
1928
1929 <para>
1930 Type synonyms are like macros at the type level, but Haskell 98 imposes many rules
1931 on individual synonym declarations.
1932 With the <option>-XLiberalTypeSynonyms</option> extension,
1933 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1934 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98. 
1935
1936 <itemizedlist>
1937 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1938 in a type synonym, thus:
1939 <programlisting>
1940   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1941
1942   f :: Discard a
1943   f x y = (x, show y)
1944
1945   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1946   g f = f 3 True
1947 </programlisting>
1948 </para>
1949 </listitem>
1950
1951 <listitem><para>
1952 If you also use <option>-XUnboxedTuples</option>, 
1953 you can write an unboxed tuple in a type synonym:
1954 <programlisting>
1955   type Pr = (# Int, Int #)
1956
1957   h :: Int -> Pr
1958   h x = (# x, x #)
1959 </programlisting>
1960 </para></listitem>
1961
1962 <listitem><para>
1963 You can apply a type synonym to a forall type:
1964 <programlisting>
1965   type Foo a = a -> a -> Bool
1966  
1967   f :: Foo (forall b. b->b)
1968 </programlisting>
1969 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1970 <programlisting>
1971   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1972 </programlisting>
1973 </para></listitem>
1974
1975 <listitem><para>
1976 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1977 <programlisting>
1978   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1979   type Id x = x
1980   
1981   foo :: Generic Id []
1982 </programlisting>
1983 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1984 <programlisting>
1985   foo :: forall x. x -> [x]
1986 </programlisting>
1987 </para></listitem>
1988
1989 </itemizedlist>
1990 </para>
1991
1992 <para>
1993 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1994 could be changed.)
1995 </para>
1996 <para>
1997 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1998 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1999 <itemizedlist>
2000 <listitem><para>
2001 Type constructor applied to a type involving for-alls.
2002 </para></listitem>
2003 <listitem><para>
2004 Unboxed tuple on left of an arrow.
2005 </para></listitem>
2006 <listitem><para>
2007 Partially-applied type synonym.
2008 </para></listitem>
2009 </itemizedlist>
2010 So, for example,
2011 this will be rejected:
2012 <programlisting>
2013   type Pr = (# Int, Int #)
2014
2015   h :: Pr -> Int
2016   h x = ...
2017 </programlisting>
2018 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
2019 </para>
2020 </sect2>
2021
2022
2023 <sect2 id="existential-quantification">
2024 <title>Existentially quantified data constructors
2025 </title>
2026
2027 <para>
2028 The idea of using existential quantification in data type declarations
2029 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
2030 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
2031 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
2032 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
2033 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
2034 It's been in Lennart
2035 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
2036 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2037 </para>
2038
2039 <para>
2040
2041 <programlisting>
2042   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2043            | Nil
2044 </programlisting>
2045
2046 </para>
2047
2048 <para>
2049 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2050 </para>
2051
2052 <para>
2053
2054 <programlisting>
2055   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2056   Nil   :: Foo
2057 </programlisting>
2058
2059 </para>
2060
2061 <para>
2062 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2063 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2064 For example, the following expression is fine:
2065 </para>
2066
2067 <para>
2068
2069 <programlisting>
2070   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2071 </programlisting>
2072
2073 </para>
2074
2075 <para>
2076 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2077 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2078 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2079 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2080 </para>
2081
2082 <para>
2083 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2084 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2085 </para>
2086
2087 <para>
2088
2089 <programlisting>
2090   f (MkFoo val fn) = ???
2091 </programlisting>
2092
2093 </para>
2094
2095 <para>
2096 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2097 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2098 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2099 </para>
2100
2101 <para>
2102
2103 <programlisting>
2104   f :: Foo -> Bool
2105   f (MkFoo val fn) = fn val
2106 </programlisting>
2107
2108 </para>
2109
2110 <para>
2111 What this allows us to do is to package heterogeneous values
2112 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2113 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2114 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2115 </para>
2116
2117 <sect3 id="existential">
2118 <title>Why existential?
2119 </title>
2120
2121 <para>
2122 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2123 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2124 </para>
2125
2126 <para>
2127
2128 <programlisting>
2129   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2130 </programlisting>
2131
2132 </para>
2133
2134 <para>
2135 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2136 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2137 adding a new existential quantification construct.
2138 </para>
2139
2140 </sect3>
2141
2142 <sect3 id="existential-with-context">
2143 <title>Existentials and type classes</title>
2144
2145 <para>
2146 An easy extension is to allow
2147 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2148 </para>
2149
2150 <para>
2151
2152 <programlisting>
2153 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2154          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2155 </programlisting>
2156
2157 </para>
2158
2159 <para>
2160 The two constructors have the types you'd expect:
2161 </para>
2162
2163 <para>
2164
2165 <programlisting>
2166 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2167 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2168 </programlisting>
2169
2170 </para>
2171
2172 <para>
2173 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2174 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2175 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2176 So this program is legal:
2177 </para>
2178
2179 <para>
2180
2181 <programlisting>
2182   f :: Baz -> String
2183   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2184                | otherwise = "No"
2185   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2186 </programlisting>
2187
2188 </para>
2189
2190 <para>
2191 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2192 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2193 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2194 extract it on pattern matching.
2195 </para>
2196
2197 </sect3>
2198
2199 <sect3 id="existential-records">
2200 <title>Record Constructors</title>
2201
2202 <para>
2203 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
2204
2205 <programlisting>
2206 data Counter a = forall self. NewCounter
2207     { _this    :: self
2208     , _inc     :: self -> self
2209     , _display :: self -> IO ()
2210     , tag      :: a
2211     }
2212 </programlisting>
2213 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
2214 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
2215 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
2216 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
2217 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
2218 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
2219 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
2220 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
2221 </para>
2222
2223 <para>
2224 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
2225
2226 <programlisting>
2227 inc :: Counter a -> Counter a
2228 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
2229     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
2230
2231 display :: Counter a -> IO ()
2232 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
2233 </programlisting>
2234
2235 Now we can define counters with different underlying implementations:
2236
2237 <programlisting>
2238 counterA :: Counter String 
2239 counterA = NewCounter
2240     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
2241
2242 counterB :: Counter String 
2243 counterB = NewCounter
2244     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
2245
2246 main = do
2247     display (inc counterA)         -- prints "1"
2248     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
2249 </programlisting>
2250
2251 Record update syntax is supported for existentials (and GADTs):
2252 <programlisting>
2253 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
2254 setTag obj t = obj{ tag = t }
2255 </programlisting>
2256 The rule for record update is this: <emphasis>
2257 the types of the updated fields may
2258 mention only the universally-quantified type variables
2259 of the data constructor.  For GADTs, the field may mention only types
2260 that appear as a simple type-variable argument in the constructor's result
2261 type</emphasis>.  For example:
2262 <programlisting>
2263 data T a b where { T1 { f1::a, f2::b, f3::(b,c) } :: T a b } -- c is existential
2264 upd1 t x = t { f1=x }   -- OK:   upd1 :: T a b -> a' -> T a' b
2265 upd2 t x = t { f3=x }   -- BAD   (f3's type mentions c, which is
2266                         --        existentially quantified)
2267
2268 data G a b where { G1 { g1::a, g2::c } :: G a [c] }
2269 upd3 g x = g { g1=x }   -- OK:   upd3 :: G a b -> c -> G c b
2270 upd4 g x = g { g2=x }   -- BAD (f2's type mentions c, which is not a simple
2271                         --      type-variable argument in G1's result type)
2272 </programlisting>
2273 </para>
2274
2275 </sect3>
2276
2277
2278 <sect3>
2279 <title>Restrictions</title>
2280
2281 <para>
2282 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2283 constructors can be use.
2284 </para>
2285
2286 <para>
2287
2288 <itemizedlist>
2289 <listitem>
2290
2291 <para>
2292  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2293 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2294 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2295 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2296
2297
2298 <programlisting>
2299 f1 (MkFoo a f) = a
2300 </programlisting>
2301
2302
2303 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2304 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2305 ask what type <function>f1</function> has:
2306
2307
2308 <programlisting>
2309   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2310 </programlisting>
2311
2312
2313 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2314 this:
2315
2316
2317 <programlisting>
2318   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2319 </programlisting>
2320
2321
2322 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2323
2324
2325 <programlisting>
2326   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2327 </programlisting>
2328
2329
2330 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2331 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2332 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2333
2334
2335 </para>
2336 </listitem>
2337 <listitem>
2338
2339 <para>
2340 You can't pattern-match on an existentially quantified
2341 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2342 bindings. So this is illegal:
2343
2344
2345 <programlisting>
2346   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2347 </programlisting>
2348
2349 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2350
2351 <programlisting>
2352   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2353 </programlisting>
2354
2355 In general, you can only pattern-match
2356 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2357 in the patterns of a function definition.
2358
2359 The reason for this restriction is really an implementation one.
2360 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2361 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2362 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2363 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2364 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2365 annoying it is.
2366
2367 </para>
2368 </listitem>
2369 <listitem>
2370
2371 <para>
2372 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2373 declarations.  So this is illegal:
2374
2375
2376 <programlisting>
2377   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2378 </programlisting>
2379
2380
2381 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
2382 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
2383 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
2384 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
2385 You can get just the same efficiency and effect by using
2386 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
2387 there is no overloading involved, then there is more of a case for
2388 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
2389 because the <literal>data</literal> version does carry an
2390 implementation cost, but single-field existentially quantified
2391 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
2392 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
2393 are convincing reasons to change it.
2394
2395
2396 </para>
2397 </listitem>
2398 <listitem>
2399
2400 <para>
2401  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2402 data type with existentially quantified data constructors.
2403
2404 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
2405
2406 <programlisting>
2407 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2408 </programlisting>
2409
2410 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2411 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2412
2413 <programlisting>
2414 instance Eq T where
2415   (MkT a) == (MkT b) = ???
2416 </programlisting>
2417
2418 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
2419 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2420 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2421 declarations.  Define your own instances!
2422 </para>
2423 </listitem>
2424
2425 </itemizedlist>
2426
2427 </para>
2428
2429 </sect3>
2430 </sect2>
2431
2432 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
2433
2434 <sect2 id="gadt-style">
2435 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
2436
2437 <para>When the <literal>GADTSyntax</literal> extension is enabled,
2438 GHC allows you to declare an algebraic data type by
2439 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
2440 <programlisting>
2441   data Maybe a where
2442       Nothing :: Maybe a
2443       Just    :: a -> Maybe a
2444 </programlisting>
2445 The form is called a "GADT-style declaration"
2446 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
2447 can only be declared using this form.</para>
2448 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
2449 For example, these two declarations are equivalent:
2450 <programlisting>
2451   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2452   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
2453 </programlisting>
2454 </para>
2455 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
2456 can also be declared using GADT-style syntax.
2457 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
2458 they treat class constraints on the data constructors differently.
2459 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
2460 context is made available by pattern matching.  For example:
2461 <programlisting>
2462   data Set a where
2463     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
2464
2465   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
2466   makeSet xs = MkSet (nub xs)
2467
2468   insert :: a -> Set a -> Set a
2469   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
2470                       | otherwise   = MkSet (a:as)
2471 </programlisting>
2472 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
2473 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
2474 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
2475 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
2476 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
2477 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
2478 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
2479 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
2480 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
2481 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
2482 </para>
2483 <para>
2484 For example, one possible application is to reify dictionaries:
2485 <programlisting>
2486    data NumInst a where
2487      MkNumInst :: Num a => NumInst a
2488
2489    intInst :: NumInst Int
2490    intInst = MkNumInst
2491
2492    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
2493    plus MkNumInst p q = p + q
2494 </programlisting>
2495 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
2496 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
2497 </para>
2498 <para>
2499 All this applies to constructors declared using the syntax of <xref linkend="existential-with-context"/>.
2500 For example, the <literal>NumInst</literal> data type above could equivalently be declared 
2501 like this:
2502 <programlisting>
2503    data NumInst a 
2504       = Num a => MkNumInst (NumInst a)
2505 </programlisting>
2506 Notice that, unlike the situation when declaring an existential, there is 
2507 no <literal>forall</literal>, because the <literal>Num</literal> constrains the
2508 data type's universally quantified type variable <literal>a</literal>.  
2509 A constructor may have both universal and existential type variables: for example,
2510 the following two declarations are equivalent:
2511 <programlisting>
2512    data T1 a 
2513         = forall b. (Num a, Eq b) => MkT1 a b
2514    data T2 a where
2515         MkT2 :: (Num a, Eq b) => a -> b -> T2 a
2516 </programlisting>
2517 </para>
2518 <para>All this behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treatment of 
2519 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
2520 In Haskell 98 the definition
2521 <programlisting>
2522   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
2523 </programlisting>
2524 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
2525 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
2526 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
2527 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
2528 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.
2529 </para>
2530
2531 <para>
2532 The rest of this section gives further details about GADT-style data
2533 type declarations.
2534
2535 <itemizedlist>
2536 <listitem><para>
2537 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
2538 If the result type of all constructors 
2539 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
2540 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
2541 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
2542 </para></listitem>
2543
2544 <listitem><para>
2545 As with other type signatures, you can give a single signature for several data constructors.
2546 In this example we give a single signature for <literal>T1</literal> and <literal>T2</literal>:
2547 <programlisting>
2548   data T a where
2549     T1,T2 :: a -> T a
2550     T3 :: T a
2551 </programlisting>
2552 </para></listitem>
2553
2554 <listitem><para>
2555 The type signature of
2556 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
2557 In particular, the type variable(s) in the "<literal>data T a where</literal>" header 
2558 have no scope, and different constructors may have different universally-quantified type variables:
2559 <programlisting>
2560   data T a where        -- The 'a' has no scope
2561     T1,T2 :: b -> T b   -- Means forall b. b -> T b
2562     T3 :: T a           -- Means forall a. T a
2563 </programlisting>
2564 </para></listitem>
2565
2566 <listitem><para>
2567 A constructor signature may mention type class constraints, which can differ for
2568 different constructors.  For example, this is fine:
2569 <programlisting>
2570   data T a where
2571     T1 :: Eq b => b -> b -> T b
2572     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
2573 </programlisting>
2574 When patten matching, these constraints are made available to discharge constraints
2575 in the body of the match. For example:
2576 <programlisting>
2577   f :: T a -> String
2578   f (T1 x y) | x==y      = "yes"
2579              | otherwise = "no"
2580   f (T2 a b)             = show a
2581 </programlisting>
2582 Note that <literal>f</literal> is not overloaded; the <literal>Eq</literal> constraint arising
2583 from the use of <literal>==</literal> is discharged by the pattern match on <literal>T1</literal>
2584 and similarly the <literal>Show</literal> constraint arising from the use of <literal>show</literal>.
2585 </para></listitem>
2586
2587 <listitem><para>
2588 Unlike a Haskell-98-style 
2589 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
2590 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
2591 <programlisting>
2592   data Set :: * -> * where ...
2593 </programlisting>
2594 or even a mixture of the two:
2595 <programlisting>
2596   data Bar a :: (* -> *) -> * where ...
2597 </programlisting>
2598 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
2599 like this:
2600 <programlisting>
2601   data Bar a (b :: * -> *) where ...
2602 </programlisting>
2603 </para></listitem>
2604
2605
2606 <listitem><para>
2607 You can use strictness annotations, in the obvious places
2608 in the constructor type:
2609 <programlisting>
2610   data Term a where
2611       Lit    :: !Int -> Term Int
2612       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
2613       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2614 </programlisting>
2615 </para></listitem>
2616
2617 <listitem><para>
2618 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
2619 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
2620 <programlisting>
2621   data Maybe1 a where {
2622       Nothing1 :: Maybe1 a ;
2623       Just1    :: a -> Maybe1 a
2624     } deriving( Eq, Ord )
2625
2626   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
2627        deriving( Eq, Ord )
2628 </programlisting>
2629 </para></listitem>
2630
2631 <listitem><para>
2632 The type signature may have quantified type variables that do not appear
2633 in the result type:
2634 <programlisting>
2635   data Foo where
2636      MkFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo
2637      Nil   :: Foo
2638 </programlisting>
2639 Here the type variable <literal>a</literal> does not appear in the result type
2640 of either constructor.  
2641 Although it is universally quantified in the type of the constructor, such
2642 a type variable is often called "existential".  
2643 Indeed, the above declaration declares precisely the same type as 
2644 the <literal>data Foo</literal> in <xref linkend="existential-quantification"/>.
2645 </para><para>
2646 The type may contain a class context too, of course:
2647 <programlisting>
2648   data Showable where
2649     MkShowable :: Show a => a -> Showable
2650 </programlisting>
2651 </para></listitem>
2652
2653 <listitem><para>
2654 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
2655
2656 <programlisting>
2657   data Person where
2658       Adult :: { name :: String, children :: [Person] } -> Person
2659       Child :: Show a => { name :: !String, funny :: a } -> Person
2660 </programlisting>
2661 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
2662 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
2663 The <literal>Child</literal> constructor above shows that the signature
2664 may have a context, existentially-quantified variables, and strictness annotations, 
2665 just as in the non-record case.  (NB: the "type" that follows the double-colon
2666 is not really a type, because of the record syntax and strictness annotations.
2667 A "type" of this form can appear only in a constructor signature.)
2668 </para></listitem>
2669
2670 <listitem><para> 
2671 Record updates are allowed with GADT-style declarations, 
2672 only fields that have the following property: the type of the field
2673 mentions no existential type variables.
2674 </para></listitem>
2675
2676 <listitem><para> 
2677 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
2678 (<xref linkend="existential-records"/>),
2679 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
2680 selectors.  
2681 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
2682 <programlisting>
2683 data Counter a where
2684     NewCounter { _this    :: self
2685                , _inc     :: self -> self
2686                , _display :: self -> IO ()
2687                , tag      :: a
2688                }
2689         :: Counter a
2690 </programlisting>
2691 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
2692 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
2693 </para></listitem>
2694 </itemizedlist></para>
2695 </sect2>
2696
2697 <sect2 id="gadt">
2698 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
2699
2700 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
2701 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
2702 <programlisting>
2703   data Term a where
2704       Lit    :: Int -> Term Int
2705       Succ   :: Term Int -> Term Int
2706       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
2707       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
2708       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2709 </programlisting>
2710 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
2711 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
2712 write a well-typed <literal>eval</literal> function
2713 for these <literal>Terms</literal>:
2714 <programlisting>
2715   eval :: Term a -> a
2716   eval (Lit i)      = i
2717   eval (Succ t)     = 1 + eval t
2718   eval (IsZero t)   = eval t == 0
2719   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
2720   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
2721 </programlisting>
2722 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
2723 For example, in the right hand side of the equation
2724 <programlisting>
2725   eval :: Term a -> a
2726   eval (Lit i) =  ...
2727 </programlisting>
2728 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
2729 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
2730 but the design closely follows that described in
2731 the paper <ulink
2732 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/">Simple
2733 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
2734 (ICFP 2006).
2735 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
2736 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
2737 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
2738 and lots of obscure error messages will
2739 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
2740 <programlisting>
2741   eval :: Term a -> a -> a
2742   eval (Lit i) j =  i+j
2743 </programlisting>
2744 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
2745 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
2746 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
2747 </para>
2748 <para>
2749 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
2750 Tim Sheard. There is a longer introduction
2751 <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
2752 and Ralf Hinze's
2753 <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
2754 may use different notation to that implemented in GHC.
2755 </para>
2756 <para>
2757 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs.   The extension is enabled with 
2758 <option>-XGADTs</option>.  The <option>-XGADTs</option> flag also sets <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
2759 <itemizedlist>
2760 <listitem><para>
2761 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
2762 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
2763 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
2764 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
2765 For example, in the <literal>Term</literal> data
2766 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
2767 the <literal>ty</literal> need not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
2768 constructor).
2769 </para></listitem>
2770
2771 <listitem><para>
2772 It is permitted to declare an ordinary algebraic data type using GADT-style syntax.
2773 What makes a GADT into a GADT is not the syntax, but rather the presence of data constructors
2774 whose result type is not just <literal>T a b</literal>.
2775 </para></listitem>
2776
2777 <listitem><para>
2778 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
2779 an ordinary data type.
2780 </para></listitem>
2781
2782 <listitem><para>
2783 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
2784 For example:
2785 <programlisting>
2786   data Term a where
2787       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
2788       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
2789       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
2790       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
2791       Pair   { arg1 :: Term a
2792              , arg2 :: Term b
2793              }                    :: Term (a,b)
2794       If     { cnd  :: Term Bool
2795              , tru  :: Term a
2796              , fls  :: Term a
2797              }                    :: Term a
2798 </programlisting>
2799 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
2800 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
2801 the same result type (modulo alpha conversion)
2802 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
2803 and <literal>arg</literal> fields above into a 
2804 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
2805 their selector functions actually have different types:
2806
2807 <programlisting>
2808   num :: Term Int -> Term Int
2809   arg :: Term Bool -> Term Int
2810 </programlisting>
2811 </para></listitem>
2812
2813 <listitem><para>
2814 When pattern-matching against data constructors drawn from a GADT, 
2815 for example in a <literal>case</literal> expression, the following rules apply:
2816 <itemizedlist>
2817 <listitem><para>The type of the scrutinee must be rigid.</para></listitem>
2818 <listitem><para>The type of the entire <literal>case</literal> expression must be rigid.</para></listitem>
2819 <listitem><para>The type of any free variable mentioned in any of
2820 the <literal>case</literal> alternatives must be rigid.</para></listitem>
2821 </itemizedlist>
2822 A type is "rigid" if it is completely known to the compiler at its binding site.  The easiest
2823 way to ensure that a variable a rigid type is to give it a type signature.
2824 For more precise details see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt">
2825 Simple unification-based type inference for GADTs
2826 </ulink>. The criteria implemented by GHC are given in the Appendix.
2827
2828 </para></listitem>
2829
2830 </itemizedlist>
2831 </para>
2832
2833 </sect2>
2834 </sect1>
2835
2836 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
2837
2838 <sect1 id="deriving">
2839 <title>Extensions to the "deriving" mechanism</title>
2840
2841 <sect2 id="deriving-inferred">
2842 <title>Inferred context for deriving clauses</title>
2843
2844 <para>
2845 The Haskell Report is vague about exactly when a <literal>deriving</literal> clause is
2846 legal.  For example:
2847 <programlisting>
2848   data T0 f a = MkT0 a         deriving( Eq )
2849   data T1 f a = MkT1 (f a)     deriving( Eq )
2850   data T2 f a = MkT2 (f (f a)) deriving( Eq )
2851 </programlisting>
2852 The natural generated <literal>Eq</literal> code would result in these instance declarations:
2853 <programlisting>
2854   instance Eq a         => Eq (T0 f a) where ...
2855   instance Eq (f a)     => Eq (T1 f a) where ...
2856   instance Eq (f (f a)) => Eq (T2 f a) where ...
2857 </programlisting>
2858 The first of these is obviously fine. The second is still fine, although less obviously. 
2859 The third is not Haskell 98, and risks losing termination of instances.
2860 </para>
2861 <para>
2862 GHC takes a conservative position: it accepts the first two, but not the third.  The  rule is this:
2863 each constraint in the inferred instance context must consist only of type variables, 
2864 with no repetitions.
2865 </para>
2866 <para>
2867 This rule is applied regardless of flags.  If you want a more exotic context, you can write
2868 it yourself, using the <link linkend="stand-alone-deriving">standalone deriving mechanism</link>.
2869 </para>
2870 </sect2>
2871
2872 <sect2 id="stand-alone-deriving">
2873 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
2874
2875 <para>
2876 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-XStandaloneDeriving</literal>:
2877 <programlisting>
2878   data Foo a = Bar a | Baz String
2879
2880   deriving instance Eq a => Eq (Foo a)
2881 </programlisting>
2882 The syntax is identical to that of an ordinary instance declaration apart from (a) the keyword
2883 <literal>deriving</literal>, and (b) the absence of the <literal>where</literal> part.
2884 Note the following points:
2885 <itemizedlist>
2886 <listitem><para>
2887 You must supply an explicit context (in the example the context is <literal>(Eq a)</literal>), 
2888 exactly as you would in an ordinary instance declaration.
2889 (In contrast, in a <literal>deriving</literal> clause 
2890 attached to a data type declaration, the context is inferred.) 
2891 </para></listitem>
2892
2893 <listitem><para>
2894 A <literal>deriving instance</literal> declaration
2895 must obey the same rules concerning form and termination as ordinary instance declarations,
2896 controlled by the same flags; see <xref linkend="instance-decls"/>.
2897 </para></listitem>
2898
2899 <listitem><para>
2900 Unlike a <literal>deriving</literal>
2901 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, the instance can be more specific
2902 than the data type (assuming you also use 
2903 <literal>-XFlexibleInstances</literal>, <xref linkend="instance-rules"/>).  Consider
2904 for example
2905 <programlisting>
2906   data Foo a = Bar a | Baz String
2907
2908   deriving instance Eq a => Eq (Foo [a])
2909   deriving instance Eq a => Eq (Foo (Maybe a))
2910 </programlisting>
2911 This will generate a derived instance for <literal>(Foo [a])</literal> and <literal>(Foo (Maybe a))</literal>,
2912 but other types such as <literal>(Foo (Int,Bool))</literal> will not be an instance of <literal>Eq</literal>.
2913 </para></listitem>
2914
2915 <listitem><para>
2916 Unlike a <literal>deriving</literal>
2917 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, 
2918 GHC does not restrict the form of the data type.  Instead, GHC simply generates the appropriate
2919 boilerplate code for the specified class, and typechecks it. If there is a type error, it is
2920 your problem. (GHC will show you the offending code if it has a type error.) 
2921 The merit of this is that you can derive instances for GADTs and other exotic
2922 data types, providing only that the boilerplate code does indeed typecheck.  For example:
2923 <programlisting>
2924   data T a where
2925      T1 :: T Int
2926      T2 :: T Bool
2927
2928   deriving instance Show (T a)
2929 </programlisting>
2930 In this example, you cannot say <literal>... deriving( Show )</literal> on the 
2931 data type declaration for <literal>T</literal>, 
2932 because <literal>T</literal> is a GADT, but you <emphasis>can</emphasis> generate
2933 the instance declaration using stand-alone deriving.
2934 </para>
2935 </listitem>
2936
2937 <listitem>
2938 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
2939 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
2940 For example:
2941 <programlisting>
2942   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
2943
2944   deriving instance MonadState Int Foo
2945 </programlisting>
2946 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
2947 (<literal>Foo</literal> in this example) as the type whose instance is being derived.
2948 </para></listitem>
2949 </itemizedlist></para>
2950
2951 </sect2>
2952
2953
2954 <sect2 id="deriving-typeable">
2955 <title>Deriving clause for extra classes (<literal>Typeable</literal>, <literal>Data</literal>, etc)</title>
2956
2957 <para>
2958 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
2959 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
2960 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
2961 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
2962 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
2963 </para>
2964 <para>
2965 GHC extends this list with several more classes that may be automatically derived:
2966 <itemizedlist>
2967 <listitem><para> With <option>-XDeriveDataTypeable</option>, you can derive instances of the classes
2968 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>, defined in the library
2969 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively.
2970 </para>
2971 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
2972 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
2973 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
2974 described in
2975 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
2976 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
2977 </ulink>.
2978 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
2979 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
2980 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
2981 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
2982 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
2983 then writing the data type instance by hand.
2984 </para>
2985 </listitem>
2986
2987 <listitem><para> With <option>-XDeriveFunctor</option>, you can derive instances of 
2988 the class <literal>Functor</literal>,
2989 defined in <literal>GHC.Base</literal>.
2990 </para></listitem>
2991
2992 <listitem><para> With <option>-XDeriveFoldable</option>, you can derive instances of 
2993 the class <literal>Foldable</literal>,
2994 defined in <literal>Data.Foldable</literal>.
2995 </para></listitem>
2996
2997 <listitem><para> With <option>-XDeriveTraversable</option>, you can derive instances of 
2998 the class <literal>Traversable</literal>,
2999 defined in <literal>Data.Traversable</literal>.
3000 </para></listitem>
3001 </itemizedlist>
3002 In each case the appropriate class must be in scope before it 
3003 can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3004 </para>
3005 </sect2>
3006
3007 <sect2 id="newtype-deriving">
3008 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3009
3010 <para>
3011 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3012 the new type to inherit some instances from its representation. In
3013 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3014 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3015 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3016 example, if you define
3017
3018 <programlisting>
3019   newtype Dollars = Dollars Int 
3020 </programlisting>
3021
3022 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3023 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3024
3025 <programlisting>
3026   instance Num Dollars where
3027     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3028     ...
3029 </programlisting>
3030 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3031 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3032 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3033 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3034 dictionary, only slower!
3035 </para>
3036
3037
3038 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3039 <para>
3040 GHC now permits such instances to be derived instead, 
3041 using the flag <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
3042 so one can write 
3043 <programlisting>
3044   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3045 </programlisting>
3046
3047 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3048 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3049 derives an instance declaration of the form
3050
3051 <programlisting>
3052   instance Num Int => Num Dollars
3053 </programlisting>
3054
3055 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3056 </para>
3057 <para>
3058
3059 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3060 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3061 transformers, such that
3062
3063 <programlisting>
3064   instance Monad m => Monad (State s m) 
3065   instance Monad m => Monad (Failure m)
3066 </programlisting>
3067 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3068 <programlisting>
3069   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3070 </programlisting>
3071
3072 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3073 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3074 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3075
3076 <programlisting>
3077   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3078                          deriving Monad
3079 </programlisting>
3080 In this case the derived instance declaration is of the form 
3081 <programlisting>
3082   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3083 </programlisting>
3084
3085 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3086 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3087 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3088 "eta-converted" to generate the context of the instance
3089 declaration.
3090 </para>
3091 <para>
3092
3093 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3094 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3095 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3096 clause. For example, given the class
3097
3098 <programlisting>
3099   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3100   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3101 </programlisting>
3102 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3103 <programlisting>
3104   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3105                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3106 </programlisting>
3107
3108 The derived instance is obtained by completing the application of the
3109 class to the new type:
3110
3111 <programlisting>
3112   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3113            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3114 </programlisting>
3115 </para>
3116 <para>
3117
3118 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3119  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3120 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3121 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3122 the newtype and its representation.
3123 </para>
3124 </sect3>
3125
3126 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3127 <para>
3128 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3129 declaration (after expansion of any type synonyms)
3130
3131 <programlisting>
3132   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3133 </programlisting>
3134
3135 where 
3136  <itemizedlist>
3137 <listitem><para>
3138   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3139   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3140   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3141 </para></listitem>
3142 <listitem><para>
3143   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
3144 </para></listitem>
3145 <listitem><para>
3146   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
3147 </para></listitem>
3148 <listitem><para>
3149   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
3150   nor in the <literal>ci</literal>, and
3151 </para></listitem>
3152 <listitem><para>
3153   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3154                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3155                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3156                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3157                 via this new mechanism.  
3158 </para></listitem>
3159 </itemizedlist>
3160 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3161 declaration is:
3162 <programlisting>
3163   instance ci t => ci (T v1...vk)
3164 </programlisting>
3165 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3166 <programlisting>
3167   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3168 </programlisting>
3169 Here we cannot derive the instance 
3170 <programlisting>
3171   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3172 </programlisting>
3173
3174 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3175 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3176 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3177 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3178 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3179 </para>
3180 <para>
3181
3182 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3183 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3184 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3185
3186 <programlisting>
3187   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3188 </programlisting>
3189
3190 then we would not have been able to derive an instance for the
3191 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3192 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3193 instances is most interesting.
3194 </para>
3195 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3196 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3197 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3198 4.3.3. of the Haskell Report).
3199 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3200 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3201 the standard method is used or the one described here.)
3202 </para>
3203 </sect3>
3204 </sect2>
3205 </sect1>
3206
3207
3208 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
3209 <sect1 id="type-class-extensions">
3210 <title>Class and instances declarations</title>
3211
3212 <sect2 id="multi-param-type-classes">
3213 <title>Class declarations</title>
3214
3215 <para>
3216 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
3217 There's lots of background in the paper <ulink
3218 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space/">Type
3219 classes: exploring the design space</ulink> (Simon Peyton Jones, Mark
3220 Jones, Erik Meijer).
3221 </para>
3222 <para>
3223 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
3224 </para>
3225
3226 <sect3>
3227 <title>Multi-parameter type classes</title>
3228 <para>
3229 Multi-parameter type classes are permitted, with flag <option>-XMultiParamTypeClasses</option>. 
3230 For example:
3231
3232
3233 <programlisting>
3234   class Collection c a where
3235     union :: c a -> c a -> c a
3236     ...etc.
3237 </programlisting>
3238
3239 </para>
3240 </sect3>
3241
3242 <sect3 id="superclass-rules">
3243 <title>The superclasses of a class declaration</title>
3244
3245 <para>
3246 In Haskell 98 the context of a class declaration (which introduces superclasses)
3247 must be simple; that is, each predicate must consist of a class applied to 
3248 type variables.  The flag <option>-XFlexibleContexts</option> 
3249 (<xref linkend="flexible-contexts"/>)
3250 lifts this restriction,
3251 so that the only restriction on the context in a class declaration is 
3252 that the class hierarchy must be acyclic.  So these class declarations are OK:
3253
3254
3255 <programlisting>
3256   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
3257     ...
3258
3259   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
3260     lift :: m a -> (t m) a
3261 </programlisting>
3262
3263
3264 </para>
3265 <para>
3266 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
3267 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
3268 this is OK:
3269
3270
3271 <programlisting>
3272   class C a where {
3273     op :: D b => a -> b -> b
3274   }
3275
3276   class C a => D a where { ... }
3277 </programlisting>
3278
3279
3280 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
3281 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
3282 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
3283 </para>
3284 </sect3>
3285
3286
3287
3288
3289 <sect3 id="class-method-types">
3290 <title>Class method types</title>
3291
3292 <para>
3293 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
3294 class type variable, thus:
3295 <programlisting>
3296   class Seq s a where
3297     fromList :: [a] -> s a
3298     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
3299 </programlisting>
3300 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
3301 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
3302 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
3303 GHC lifts this restriction (flag <option>-XConstrainedClassMethods</option>).
3304 </para>
3305
3306
3307 </sect3>
3308 </sect2>
3309
3310 <sect2 id="functional-dependencies">
3311 <title>Functional dependencies
3312 </title>
3313
3314 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
3315 in &ldquo;<ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/jones00type.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
3316 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
3317 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
3318 .
3319 </para>
3320 <para>
3321 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
3322 class declaration;  e.g. 
3323 <programlisting>
3324   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
3325
3326   class Foo a b c | a b -> c where ...
3327 </programlisting>
3328 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
3329 </para>
3330
3331 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
3332 <para>
3333 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
3334 mentioned in <xref linkend="flexible-contexts"/>)
3335 from the free variables of each method type.
3336 For example:
3337
3338 <programlisting>
3339   class Coll s a where
3340     empty  :: s
3341     insert :: s -> a -> s
3342 </programlisting>
3343
3344 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
3345 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
3346 reachable:
3347 <programlisting>
3348   class Coll s a | s -> a where
3349     empty  :: s
3350     insert :: s -> a -> s
3351 </programlisting>
3352
3353 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
3354
3355 <programlisting>
3356   class Coll s a where
3357     empty  :: s a
3358     insert :: s a -> a -> s a
3359 </programlisting>
3360
3361
3362 which makes the connection between the type of a collection of
3363 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
3364 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
3365 class like this:
3366
3367
3368 <programlisting>
3369   class CollE s where
3370     empty  :: s
3371
3372   class CollE s => Coll s a where
3373     insert :: s -> a -> s
3374 </programlisting>
3375 </para>
3376 </sect3>
3377
3378
3379 <sect3>
3380 <title>Background on functional dependencies</title>
3381
3382 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
3383 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
3384 permission of Mark Jones.
3385 </para>
3386 <para> 
3387 Consider the following class, intended as part of a
3388 library for collection types:
3389 <programlisting>
3390    class Collects e ce where
3391        empty  :: ce
3392        insert :: e -> ce -> ce
3393        member :: e -> ce -> Bool
3394 </programlisting>
3395 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
3396 of the container itself. Within this framework, we might want to define
3397 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
3398 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
3399 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
3400 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
3401 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
3402 <programlisting>
3403    instance Eq e => Collects e [e] where ...
3404    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
3405    instance Collects Char BitSet where ...
3406    instance (Hashable e, Collects a ce)
3407               => Collects e (Array Int ce) where ...
3408 </programlisting>
3409 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
3410 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
3411 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
3412 <programlisting>
3413    empty :: Collects e ce => ce
3414 </programlisting>
3415 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
3416 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
3417 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
3418 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
3419 type.
3420 </para>
3421 <para>
3422 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
3423 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
3424 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
3425 them. For example, consider the following two functions: 
3426 <programlisting>
3427    f x y = insert x . insert y
3428    g     = f True 'a'
3429 </programlisting>
3430 for which GHC infers the following types: 
3431 <programlisting>
3432    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3433    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
3434 </programlisting>
3435 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
3436 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
3437 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
3438 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
3439 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
3440 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
3441 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
3442 might even be in a different module.
3443 </para>
3444
3445 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
3446
3447 <para>
3448 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
3449 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
3450 <programlisting>
3451    class Collects e c where
3452       empty  :: c e
3453       insert :: e -> c e -> c e
3454       member :: e -> c e -> Bool
3455 </programlisting>
3456 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
3457 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
3458 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
3459 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
3460 e</literal>, which is not ambiguous. 
3461 </para>
3462 <para>
3463 The function f from the previous section has a more accurate type: 
3464 <programlisting>
3465    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
3466 </programlisting>
3467 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
3468 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
3469 different types. 
3470 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
3471 quite well in practice, without ambiguity problems.
3472 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
3473 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
3474 for <literal>Collects</literal>
3475 given above can be used with this version of Collects because only one of
3476 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
3477 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
3478 </para>
3479 </sect4>
3480
3481 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
3482
3483 <para>
3484 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
3485 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
3486 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
3487 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
3488 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
3489 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
3490 later framework for "improvement" of qualified types. The
3491 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
3492 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
3493 general design space for systems of implicit parameterization.).
3494
3495 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
3496 <programlisting>
3497    class C a b where ...
3498 </programlisting>
3499 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
3500 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
3501 included in the definition of classes to add information about dependencies
3502 between parameters, as in the following examples: 
3503 <programlisting>
3504    class D a b | a -> b where ...
3505    class E a b | a -> b, b -> a where ...
3506 </programlisting>
3507 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
3508 symbols --- not to be
3509 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
3510 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
3511 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
3512 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
3513 represents a (partial) one-one mapping between types.
3514 </para>
3515 <para>
3516 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
3517 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
3518 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
3519 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
3520 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
3521 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
3522 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
3523 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
3524 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
3525 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
3526 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
3527 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
3528 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
3529 <literal>a-&gt;b</literal>, 
3530  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
3531 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
3532 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
3533 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
3534 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
3535 unchanged.
3536 </para>
3537 <para>
3538 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
3539 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
3540 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
3541 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
3542 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
3543 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
3544 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
3545 <programlisting>
3546    instance D Bool Int where ...
3547    instance D Bool Char where ...
3548 </programlisting>
3549 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
3550 <programlisting>
3551    instance D [a] b where ...
3552 </programlisting>
3553 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
3554 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
3555 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
3556 in any instance of the form: 
3557 <programlisting>
3558    instance D t s where ...
3559 </programlisting>
3560 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
3561 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
3562 uniquely determined.
3563 </para>
3564 <para>
3565 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
3566 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
3567 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
3568 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
3569 with a simple dependency: 
3570 <programlisting>
3571    class Collects e ce | ce -> e where
3572       empty  :: ce
3573       insert :: e -> ce -> ce
3574       member :: e -> ce -> Bool
3575 </programlisting>
3576 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
3577 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
3578 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
3579 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
3580 together with this new definition.
3581 </para>
3582 <para>
3583 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
3584 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
3585 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
3586 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
3587 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
3588 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
3589 give enough information to determine types for both ce and e, without
3590 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
3591 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
3592 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
3593 </para>
3594 <para>
3595 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
3596 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
3597 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
3598 function f: 
3599 <programlisting>
3600    f x y = insert x y = insert x . insert y
3601 </programlisting>
3602 for which we originally obtained a type: 
3603 <programlisting>
3604    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3605 </programlisting>
3606 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
3607 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
3608 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
3609 can infer a shorter and more accurate type for f: 
3610 <programlisting>
3611    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
3612 </programlisting>
3613 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
3614 </para>
3615 <para>
3616 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
3617 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
3618 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
3619 sets of instance declarations.
3620 </para>
3621 </sect4>
3622 </sect3>
3623 </sect2>
3624
3625 <sect2 id="instance-decls">
3626 <title>Instance declarations</title>
3627
3628 <para>An instance declaration has the form
3629 <screen>
3630   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 ...
3631 </screen>
3632 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
3633 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
3634 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
3635 </para>
3636
3637 <sect3 id="flexible-instance-head">
3638 <title>Relaxed rules for the instance head</title>
3639
3640 <para>
3641 In Haskell 98 the head of an instance declaration
3642 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
3643 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a data type constructor,
3644 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
3645 GHC relaxes these rules in two ways.
3646 <itemizedlist>
3647 <listitem>
3648 <para>
3649 The <option>-XFlexibleInstances</option> flag allows the head of the instance
3650 declaration to mention arbitrary nested types.
3651 For example, this becomes a legal instance declaration
3652 <programlisting>
3653   instance C (Maybe Int) where ...
3654 </programlisting>
3655 See also the <link linkend="instance-overlap">rules on overlap</link>.
3656 </para></listitem>
3657 <listitem><para>
3658 With the <option>-XTypeSynonymInstances</option> flag, instance heads may use type
3659 synonyms. As always, using a type synonym is just shorthand for
3660 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
3661
3662
3663 <programlisting>
3664   type Point = (Int,Int)
3665   instance C Point   where ...
3666   instance C [Point] where ...
3667 </programlisting>
3668
3669
3670 is legal.  However, if you added
3671
3672
3673 <programlisting>
3674   instance C (Int,Int) where ...
3675 </programlisting>
3676
3677
3678 as well, then the compiler will complain about the overlapping
3679 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
3680 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
3681
3682 <programlisting>
3683   type P a = [[a]]
3684   instance Monad P where ...
3685 </programlisting>
3686
3687 </para></listitem>
3688 </itemizedlist>
3689 </para>
3690 </sect3>
3691
3692 <sect3 id="instance-rules">
3693 <title>Relaxed rules for instance contexts</title>
3694
3695 <para>In Haskell 98, the assertions in the context of the instance declaration
3696 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
3697 is a type variable that occurs in the head.
3698 </para>
3699
3700 <para>
3701 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag relaxes this rule, as well
3702 as the corresponding rule for type signatures (see <xref linkend="flexible-contexts"/>).
3703 With this flag the context of the instance declaration can each consist of arbitrary
3704 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
3705 following rules:
3706 <orderedlist>
3707 <listitem><para>
3708 The Paterson Conditions: for each assertion in the context
3709 <orderedlist>
3710 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
3711 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
3712       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
3713 </orderedlist>
3714 </para></listitem>
3715
3716 <listitem><para>The Coverage Condition.  For each functional dependency,
3717 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
3718 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
3719 every type variable in
3720 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
3721 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
3722 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
3723 corresponding type in the instance declaration.
3724 </para></listitem>
3725 </orderedlist>
3726 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
3727 step makes the problem smaller by at least one
3728 constructor.  Both the Paterson Conditions and the Coverage Condition are lifted 
3729 if you give the <option>-XUndecidableInstances</option> 
3730 flag (<xref linkend="undecidable-instances"/>).
3731 You can find lots of background material about the reason for these
3732 restrictions in the paper <ulink
3733 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
3734 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
3735 </para>
3736 <para>
3737 For example, these are OK:
3738 <programlisting>
3739   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
3740   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
3741
3742       -- Repeated type variable in head
3743   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
3744   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
3745
3746       -- Head can consist of type variables only
3747   instance C a
3748   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
3749
3750       -- Non-type variables in context
3751   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
3752   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
3753   instance C2 Int a => C3 [a] b
3754 </programlisting>
3755 But these are not:
3756 <programlisting>
3757       -- Context assertion no smaller than head
3758   instance C a => C a where ...
3759       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
3760   instance C b b => Foo [b] where ...
3761 </programlisting>
3762 </para>
3763
3764 <para>
3765 The same restrictions apply to instances generated by
3766 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
3767 <programlisting>
3768   data MinHeap h a = H a (h a)
3769     deriving (Show)
3770 </programlisting>
3771 because the derived instance
3772 <programlisting>
3773   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
3774 </programlisting>
3775 conforms to the above rules.
3776 </para>
3777
3778 <para>
3779 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
3780 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
3781 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
3782 something more specific does not:
3783 <programlisting>
3784   instance C a where
3785     op = ... -- Default
3786 </programlisting>
3787 </para>
3788 </sect3>
3789
3790 <sect3 id="undecidable-instances">
3791 <title>Undecidable instances</title>
3792
3793 <para>
3794 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
3795 For example, sometimes you might want to use the following to get the
3796 effect of a "class synonym":
3797 <programlisting>
3798   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3799
3800   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3801 </programlisting>
3802 This allows you to write shorter signatures:
3803 <programlisting>
3804   f :: C a => ...
3805 </programlisting>
3806 instead of
3807 <programlisting>
3808   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
3809 </programlisting>
3810 The restrictions on functional dependencies (<xref
3811 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
3812 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
3813 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
3814 <programlisting>
3815   class HasConverter a b | a -> b where
3816      convert :: a -> b
3817    
3818   data Foo a = MkFoo a
3819
3820   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
3821      show (MkFoo value) = show (convert value)
3822 </programlisting>
3823 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
3824 typechecker loop:
3825 <programlisting>
3826   class D a
3827   class F a b | a->b
3828   instance F [a] [[a]]
3829   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
3830 </programlisting>
3831 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
3832 <programlisting>
3833   class Mul a b c | a b -> c where
3834         (.*.) :: a -> b -> c
3835
3836   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
3837   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
3838   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
3839 </programlisting>
3840 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
3841 and indeed the (somewhat strange) definition:
3842 <programlisting>
3843   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
3844 </programlisting>
3845 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
3846 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
3847 </para>
3848 <para>
3849 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
3850 the experimental flag <option>-XUndecidableInstances</option>
3851 <indexterm><primary>-XUndecidableInstances</primary></indexterm>, 
3852 both the Paterson Conditions and the Coverage Condition
3853 (described in <xref linkend="instance-rules"/>) are lifted.  Termination is ensured by having a
3854 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
3855 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
3856 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
3857 </para>
3858
3859 </sect3>
3860
3861
3862 <sect3 id="instance-overlap">
3863 <title>Overlapping instances</title>
3864 <para>
3865 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
3866 declaration
3867 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
3868 can be modified by two flags: <option>-XOverlappingInstances</option>
3869 <indexterm><primary>-XOverlappingInstances
3870 </primary></indexterm> 
3871 and <option>-XIncoherentInstances</option>
3872 <indexterm><primary>-XIncoherentInstances
3873 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
3874 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
3875 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
3876 <para>
3877 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
3878 it tries to match every instance declaration against the
3879 constraint,
3880 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
3881 these declarations:
3882 <programlisting>
3883   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
3884   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
3885   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
3886   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
3887 </programlisting>
3888 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
3889 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
3890 no account of the context of the instance declaration
3891 (<literal>context1</literal> etc).
3892 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
3893 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
3894 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
3895 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
3896 particular constraint matches more than one.
3897 </para>
3898
3899 <para>
3900 The <option>-XOverlappingInstances</option> flag instructs GHC to allow
3901 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
3902 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
3903 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
3904 most-specific match, the program is rejected.
3905 </para>
3906 <para>
3907 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
3908 <programlisting>
3909   f :: [b] -> [b]
3910   f x = ...
3911 </programlisting>
3912 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
3913 <literal>C Int [b]</literal>.  But
3914 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
3915 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
3916 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
3917 So GHC rejects the program.  
3918 (If you add the flag <option>-XIncoherentInstances</option>,
3919 GHC will instead pick (C), without complaining about 
3920 the problem of subsequent instantiations.)
3921 </para>
3922 <para>
3923 Notice that we gave a type signature to <literal>f</literal>, so GHC had to
3924 <emphasis>check</emphasis> that <literal>f</literal> has the specified type.  
3925 Suppose instead we do not give a type signature, asking GHC to <emphasis>infer</emphasis>
3926 it instead.  In this case, GHC will refrain from
3927 simplifying the constraint <literal>C Int [b]</literal> (for the same reason
3928 as before) but, rather than rejecting the program, it will infer the type
3929 <programlisting>
3930   f :: C Int [b] => [b] -> [b]
3931 </programlisting>
3932 That postpones the question of which instance to pick to the 
3933 call site for <literal>f</literal>
3934 by which time more is known about the type <literal>b</literal>.
3935 You can write this type signature yourself if you use the 
3936 <link linkend="flexible-contexts"><option>-XFlexibleContexts</option></link>
3937 flag.
3938 </para>
3939 <para>
3940 Exactly the same situation can arise in instance declarations themselves.  Suppose we have
3941 <programlisting>
3942   class Foo a where
3943      f :: a -> a
3944   instance Foo [b] where
3945      f x = ...
3946 </programlisting>
3947 and, as before, the constraint <literal>C Int [b]</literal> arises from <literal>f</literal>'s
3948 right hand side.  GHC will reject the instance, complaining as before that it does not know how to resolve
3949 the constraint <literal>C Int [b]</literal>, because it matches more than one instance
3950 declaration.  The solution is to postpone the choice by adding the constraint to the context
3951 of the instance declaration, thus:
3952 <programlisting>
3953   instance C Int [b] => Foo [b] where
3954      f x = ...
3955 </programlisting>
3956 (You need <link linkend="instance-rules"><option>-XFlexibleInstances</option></link> to do this.)
3957 </para>
3958 <para>
3959 Warning: overlapping instances must be used with care.  They 
3960 can give rise to incoherence (ie different instance choices are made
3961 in different parts of the program) even without <option>-XIncoherentInstances</option>. Consider:
3962 <programlisting>
3963 {-# LANGUAGE OverlappingInstances #-}
3964 module Help where
3965
3966     class MyShow a where
3967       myshow :: a -> String
3968
3969     instance MyShow a => MyShow [a] where
3970       myshow xs = concatMap myshow xs
3971
3972     showHelp :: MyShow a => [a] -> String
3973     showHelp xs = myshow xs
3974
3975 {-# LANGUAGE FlexibleInstances, OverlappingInstances #-}
3976 module Main where
3977     import Help
3978
3979     data T = MkT
3980
3981     instance MyShow T where
3982       myshow x = "Used generic instance"
3983
3984     instance MyShow [T] where
3985       myshow xs = "Used more specific instance"
3986
3987     main = do { print (myshow [MkT]); print (showHelp [MkT]) }
3988 </programlisting>
3989 In function <literal>showHelp</literal> GHC sees no overlapping
3990 instances, and so uses the <literal>MyShow [a]</literal> instance
3991 without complaint.  In the call to <literal>myshow</literal> in <literal>main</literal>,
3992 GHC resolves the <literal>MyShow [T]</literal> constraint using the overlapping
3993 instance declaration in module <literal>Main</literal>. As a result, 
3994 the program prints
3995 <programlisting>
3996   "Used more specific instance"
3997   "Used generic instance"
3998 </programlisting>
3999 (An alternative possible behaviour, not currently implemented, 
4000 would be to reject module <literal>Help</literal>
4001 on the grounds that a later instance declaration might overlap the local one.)
4002 </para>
4003 <para>
4004 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
4005 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
4006 presence or otherwise of the <option>-XOverlappingInstances</option> 
4007 and <option>-XIncoherentInstances</option> flags when that module is
4008 being defined.  Specifically, during the lookup process:
4009 <itemizedlist>
4010 <listitem><para>
4011 If the constraint being looked up matches two instance declarations IA and IB,
4012 and
4013 <itemizedlist>
4014 <listitem><para>IB is a substitution instance of IA (but not vice versa);
4015 that is, IB is strictly more specific than IA</para></listitem>
4016 <listitem><para>either IA or IB was compiled with <option>-XOverlappingInstances</option></para></listitem>
4017 </itemizedlist>
4018 then the less-specific instance IA is ignored.
4019 </para></listitem>
4020 <listitem><para>
4021 Suppose an instance declaration does not match the constraint being looked up, but
4022 does <emphasis>unify</emphasis> with it, so that it might match when the constraint is further
4023 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
4024 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
4025 <option>-XIncoherentInstances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
4026 check for that declaration.
4027 </para></listitem>
4028 </itemizedlist>
4029 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
4030 overlapping instances without the library client having to know.  
4031 </para>
4032 <para>The <option>-XIncoherentInstances</option> flag implies the
4033 <option>-XOverlappingInstances</option> flag, but not vice versa.
4034 </para>
4035 </sect3>
4036
4037
4038
4039 </sect2>
4040
4041 <sect2 id="overloaded-strings">
4042 <title>Overloaded string literals
4043 </title>
4044
4045 <para>
4046 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
4047 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
4048 literals enabled (with <literal>-XOverloadedStrings</literal>)
4049  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
4050 </para>
4051 <para>
4052 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
4053 and other variations of string like types.  String literals behave very much
4054 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
4055 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
4056 way as an integer literal is.
4057 </para>
4058 <para>
4059 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
4060 <programlisting>
4061 class IsString a where
4062     fromString :: String -> a
4063 </programlisting>
4064 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
4065 <programlisting>
4066 instance IsString [Char] where
4067     fromString cs = cs
4068 </programlisting>
4069 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
4070 it explicitly (for example, to give an instance declaration for it), you can import it
4071 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
4072 </para>
4073 <para>
4074 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-XOverloadedStrings</option> is specified.
4075 Specifically:
4076 <itemizedlist>
4077 <listitem><para>
4078 Each type in a default declaration must be an 
4079 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
4080 </para></listitem>
4081
4082 <listitem><para>
4083 The standard defaulting rule (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
4084 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
4085 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
4086 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
4087 </para></listitem>
4088 </itemizedlist>
4089 </para>
4090 <para>
4091 A small example:
4092 <programlisting>
4093 module Main where
4094
4095 import GHC.Exts( IsString(..) )
4096
4097 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
4098 instance IsString MyString where
4099     fromString = MyString
4100
4101 greet :: MyString -> MyString
4102 greet "hello" = "world"
4103 greet other = other
4104
4105 main = do
4106     print $ greet "hello"
4107     print $ greet "fool"
4108 </programlisting>
4109 </para>
4110 <para>
4111 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
4112 to work since it gets translated into an equality comparison.
4113 </para>
4114 </sect2>
4115
4116 </sect1>
4117
4118 <sect1 id="type-families">
4119 <title>Type families</title>
4120
4121 <para>
4122   <firstterm>Indexed type families</firstterm> are a new GHC extension to
4123   facilitate type-level 
4124   programming. Type families are a generalisation of <firstterm>associated
4125   data types</firstterm> 
4126   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKPM05.html">Associated 
4127   Types with Class</ulink>&rdquo;, M. Chakravarty, G. Keller, S. Peyton Jones,
4128   and S. Marlow. In Proceedings of &ldquo;The 32nd Annual ACM SIGPLAN-SIGACT
4129      Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'05)&rdquo;, pages
4130   1-13, ACM Press, 2005) and <firstterm>associated type synonyms</firstterm>
4131   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKP05.html">Type  
4132   Associated Type Synonyms</ulink>&rdquo;. M. Chakravarty, G. Keller, and
4133   S. Peyton Jones. 
4134   In Proceedings of &ldquo;The Tenth ACM SIGPLAN International Conference on
4135   Functional Programming&rdquo;, ACM Press, pages 241-253, 2005).  Type families
4136   themselves are described in the paper &ldquo;<ulink 
4137   url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4138   Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;, T. Schrijvers,
4139   S. Peyton-Jones, 
4140   M. Chakravarty, and M. Sulzmann, in Proceedings of &ldquo;ICFP 2008: The
4141   13th ACM SIGPLAN International Conference on Functional
4142   Programming&rdquo;, ACM Press, pages 51-62, 2008. Type families
4143   essentially provide type-indexed data types and named functions on types,
4144   which are useful for generic programming and highly parameterised library
4145   interfaces as well as interfaces with enhanced static information, much like
4146   dependent types. They might also be regarded as an alternative to functional
4147   dependencies, but provide a more functional style of type-level programming
4148   than the relational style of functional dependencies. 
4149 </para>
4150 <para>
4151   Indexed type families, or type families for short, are type constructors that
4152   represent sets of types. Set members are denoted by supplying the type family
4153   constructor with type parameters, which are called <firstterm>type
4154   indices</firstterm>. The 
4155   difference between vanilla parametrised type constructors and family
4156   constructors is much like between parametrically polymorphic functions and
4157   (ad-hoc polymorphic) methods of type classes. Parametric polymorphic functions
4158   behave the same at all type instances, whereas class methods can change their
4159   behaviour in dependence on the class type parameters. Similarly, vanilla type
4160   constructors imply the same data representation for all type instances, but
4161   family constructors can have varying representation types for varying type
4162   indices. 
4163 </para>
4164 <para>
4165   Indexed type families come in two flavours: <firstterm>data
4166     families</firstterm> and <firstterm>type synonym 
4167     families</firstterm>. They are the indexed family variants of algebraic
4168   data types and type synonyms, respectively. The instances of data families
4169   can be data types and newtypes. 
4170 </para>
4171 <para>
4172   Type families are enabled by the flag <option>-XTypeFamilies</option>.
4173   Additional information on the use of type families in GHC is available on
4174   <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GHC/Indexed_types">the
4175   Haskell wiki page on type families</ulink>.
4176 </para>
4177
4178 <sect2 id="data-families">
4179   <title>Data families</title>
4180
4181   <para>
4182     Data families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4183     toplevel 
4184     or (2) they can appear inside type classes (in which case they are known as
4185     associated types). The former is the more general variant, as it lacks the
4186     requirement for the type-indexes to coincide with the class
4187     parameters. However, the latter can lead to more clearly structured code and
4188     compiler warnings if some type instances were - possibly accidentally -
4189     omitted. In the following, we always discuss the general toplevel form first
4190     and then cover the additional constraints placed on associated types.
4191   </para>
4192
4193   <sect3 id="data-family-declarations"> 
4194     <title>Data family declarations</title>
4195
4196     <para>
4197       Indexed data families are introduced by a signature, such as 
4198 <programlisting>
4199 data family GMap k :: * -> *
4200 </programlisting>
4201       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4202       data declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4203       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is
4204 <programlisting>
4205 data family Array e
4206 </programlisting>
4207       Named arguments can also be given explicit kind signatures if needed.
4208       Just as with
4209       [http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/users_guide/gadt.html GADT
4210       declarations] named arguments are entirely optional, so that we can
4211       declare <literal>Array</literal> alternatively with 
4212 <programlisting>
4213 data family Array :: * -> *
4214 </programlisting>
4215     </para>
4216
4217     <sect4 id="assoc-data-family-decl">
4218       <title>Associated data family declarations</title>
4219       <para>
4220         When a data family is declared as part of a type class, we drop
4221         the <literal>family</literal> special.  The <literal>GMap</literal>
4222         declaration takes the following form 
4223 <programlisting>
4224 class GMapKey k where
4225   data GMap k :: * -> *
4226   ...
4227 </programlisting>
4228         In contrast to toplevel declarations, named arguments must be used for
4229         all type parameters that are to be used as type-indexes.  Moreover,
4230         the argument names must be class parameters.  Each class parameter may
4231         only be used at most once per associated type, but some may be omitted
4232         and they may be in an order other than in the class head.  Hence, the
4233         following contrived example is admissible: 
4234 <programlisting>
4235   class C a b c where
4236   data T c a :: *
4237 </programlisting>
4238       </para>
4239     </sect4>
4240   </sect3>
4241
4242   <sect3 id="data-instance-declarations"> 
4243     <title>Data instance declarations</title>
4244
4245     <para>
4246       Instance declarations of data and newtype families are very similar to
4247       standard data and newtype declarations.  The only two differences are
4248       that the keyword <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>
4249       is followed by <literal>instance</literal> and that some or all of the
4250       type arguments can be non-variable types, but may not contain forall
4251       types or type synonym families.  However, data families are generally
4252       allowed in type parameters, and type synonyms are allowed as long as
4253       they are fully applied and expand to a type that is itself admissible -
4254       exactly as this is required for occurrences of type synonyms in class
4255       instance parameters.  For example, the <literal>Either</literal>
4256       instance for <literal>GMap</literal> is 
4257 <programlisting>
4258 data instance GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4259 </programlisting>
4260       In this example, the declaration has only one variant.  In general, it
4261       can be any number.
4262     </para>
4263     <para>
4264       Data and newtype instance declarations are only permitted when an
4265       appropriate family declaration is in scope - just as a class instance declaratoin
4266       requires the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4267       declaration has to conform to the kind determined by its family
4268       declaration.  This implies that the number of parameters of an instance
4269       declaration matches the arity determined by the kind of the family.
4270     </para>
4271     <para>
4272       A data family instance declaration can use the full exprssiveness of
4273       ordinary <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declarations:
4274       <itemizedlist>
4275       <listitem><para> Although, a data family is <emphasis>introduced</emphasis> with
4276       the keyword "<literal>data</literal>", a data family <emphasis>instance</emphasis> can 
4277       use either <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>. For example:
4278 <programlisting>
4279 data family T a
4280 data    instance T Int  = T1 Int | T2 Bool
4281 newtype instance T Char = TC Bool
4282 </programlisting>
4283       </para></listitem>
4284       <listitem><para> A <literal>data instance</literal> can use GADT syntax for the data constructors,
4285       and indeed can define a GADT.  For example:
4286 <programlisting>
4287 data family G a b
4288 data instance G [a] b where
4289    G1 :: c -> G [Int] b
4290    G2 :: G [a] Bool
4291 </programlisting>
4292       </para></listitem>
4293       <listitem><para> You can use a <literal>deriving</literal> clause on a
4294       <literal>data instance</literal> or <literal>newtype instance</literal>
4295       declaration.
4296       </para></listitem>
4297       </itemizedlist>
4298     </para>
4299
4300     <para>
4301       Even if type families are defined as toplevel declarations, functions
4302       that perform different computations for different family instances may still
4303       need to be defined as methods of type classes.  In particular, the
4304       following is not possible: 
4305 <programlisting>
4306 data family T a
4307 data instance T Int  = A
4308 data instance T Char = B
4309 foo :: T a -> Int
4310 foo A = 1             -- WRONG: These two equations together...
4311 foo B = 2             -- ...will produce a type error.
4312 </programlisting>
4313 Instead, you would have to write <literal>foo</literal> as a class operation, thus:
4314 <programlisting>
4315 class C a where 
4316   foo :: T a -> Int
4317 instance Foo Int where
4318   foo A = 1
4319 instance Foo Char where
4320   foo B = 2
4321 </programlisting>
4322       (Given the functionality provided by GADTs (Generalised Algebraic Data
4323       Types), it might seem as if a definition, such as the above, should be
4324       feasible.  However, type families are - in contrast to GADTs - are
4325       <emphasis>open;</emphasis> i.e., new instances can always be added,
4326       possibly in other 
4327       modules.  Supporting pattern matching across different data instances
4328       would require a form of extensible case construct.)
4329     </para>
4330
4331     <sect4 id="assoc-data-inst">
4332       <title>Associated data instances</title>
4333       <para>
4334         When an associated data family instance is declared within a type
4335         class instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the
4336         family instance.  So, the <literal>Either</literal> instance
4337         for <literal>GMap</literal> becomes: 
4338 <programlisting>
4339 instance (GMapKey a, GMapKey b) => GMapKey (Either a b) where
4340   data GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4341   ...
4342 </programlisting>
4343         The most important point about associated family instances is that the
4344         type indexes corresponding to class parameters must be identical to
4345         the type given in the instance head; here this is the first argument
4346         of <literal>GMap</literal>, namely <literal>Either a b</literal>,
4347         which coincides with the only class parameter.  Any parameters to the
4348         family constructor that do not correspond to class parameters, need to
4349         be variables in every instance; here this is the
4350         variable <literal>v</literal>. 
4351       </para>
4352       <para>
4353         Instances for an associated family can only appear as part of
4354         instances declarations of the class in which the family was declared -
4355         just as with the equations of the methods of a class.  Also in
4356         correspondence to how methods are handled, declarations of associated
4357         types can be omitted in class instances.  If an associated family
4358         instance is omitted, the corresponding instance type is not inhabited;
4359         i.e., only diverging expressions, such
4360         as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4361       </para>
4362     </sect4>
4363
4364     <sect4 id="scoping-class-params">
4365       <title>Scoping of class parameters</title>
4366       <para>
4367         In the case of multi-parameter type classes, the visibility of class
4368         parameters in the right-hand side of associated family instances
4369         depends <emphasis>solely</emphasis> on the parameters of the data
4370         family.  As an example, consider the simple class declaration 
4371 <programlisting>
4372 class C a b where
4373   data T a
4374 </programlisting>
4375         Only one of the two class parameters is a parameter to the data
4376         family.  Hence, the following instance declaration is invalid: 
4377 <programlisting>
4378 instance C [c] d where
4379   data T [c] = MkT (c, d)    -- WRONG!!  'd' is not in scope
4380 </programlisting>
4381         Here, the right-hand side of the data instance mentions the type
4382         variable <literal>d</literal> that does not occur in its left-hand
4383         side.  We cannot admit such data instances as they would compromise
4384         type safety. 
4385       </para>
4386     </sect4>
4387
4388     <sect4 id="family-class-inst">
4389       <title>Type class instances of family instances</title>
4390       <para>
4391         Type class instances of instances of data families can be defined as
4392         usual, and in particular data instance declarations can
4393         have <literal>deriving</literal> clauses.  For example, we can write 
4394 <programlisting>
4395 data GMap () v = GMapUnit (Maybe v)
4396                deriving Show
4397 </programlisting>
4398         which implicitly defines an instance of the form
4399 <programlisting>
4400 instance Show v => Show (GMap () v) where ...
4401 </programlisting>
4402       </para>
4403       <para>
4404         Note that class instances are always for
4405         particular <emphasis>instances</emphasis> of a data family and never
4406         for an entire family as a whole.  This is for essentially the same
4407         reasons that we cannot define a toplevel function that performs
4408         pattern matching on the data constructors
4409         of <emphasis>different</emphasis> instances of a single type family.
4410         It would require a form of extensible case construct. 
4411       </para>
4412     </sect4>
4413
4414     <sect4 id="data-family-overlap">
4415       <title>Overlap of data instances</title>
4416       <para>
4417         The instance declarations of a data family used in a single program
4418         may not overlap at all, independent of whether they are associated or
4419         not.  In contrast to type class instances, this is not only a matter
4420         of consistency, but one of type safety. 
4421       </para>
4422     </sect4>
4423
4424   </sect3>
4425
4426   <sect3 id="data-family-import-export">
4427     <title>Import and export</title>
4428
4429     <para>
4430       The association of data constructors with type families is more dynamic
4431       than that is the case with standard data and newtype declarations.  In
4432       the standard case, the notation <literal>T(..)</literal> in an import or
4433       export list denotes the type constructor and all the data constructors
4434       introduced in its declaration.  However, a family declaration never
4435       introduces any data constructors; instead, data constructors are
4436       introduced by family instances.  As a result, which data constructors
4437       are associated with a type family depends on the currently visible
4438       instance declarations for that family.  Consequently, an import or
4439       export item of the form <literal>T(..)</literal> denotes the family
4440       constructor and all currently visible data constructors - in the case of
4441       an export item, these may be either imported or defined in the current
4442       module.  The treatment of import and export items that explicitly list
4443       data constructors, such as <literal>GMap(GMapEither)</literal>, is
4444       analogous. 
4445     </para>
4446
4447     <sect4 id="data-family-impexp-assoc">
4448       <title>Associated families</title>
4449       <para>
4450         As expected, an import or export item of the
4451         form <literal>C(..)</literal> denotes all of the class' methods and
4452         associated types.  However, when associated types are explicitly
4453         listed as subitems of a class, we need some new syntax, as uppercase
4454         identifiers as subitems are usually data constructors, not type
4455         constructors.  To clarify that we denote types here, each associated
4456         type name needs to be prefixed by the keyword <literal>type</literal>.
4457         So for example, when explicitly listing the components of
4458         the <literal>GMapKey</literal> class, we write <literal>GMapKey(type
4459         GMap, empty, lookup, insert)</literal>. 
4460       </para>
4461     </sect4>
4462
4463     <sect4 id="data-family-impexp-examples">
4464       <title>Examples</title>
4465       <para>
4466         Assuming our running <literal>GMapKey</literal> class example, let us
4467         look at some export lists and their meaning: 
4468         <itemizedlist>
4469           <listitem>
4470             <para><literal>module GMap (GMapKey) where...</literal>: Exports
4471               just the class name.</para>
4472           </listitem>
4473           <listitem>
4474             <para><literal>module GMap (GMapKey(..)) where...</literal>:
4475               Exports the class, the associated type <literal>GMap</literal>
4476               and the member
4477               functions <literal>empty</literal>, <literal>lookup</literal>,
4478               and <literal>insert</literal>.  None of the data constructors is 
4479               exported.</para>
4480           </listitem> 
4481           <listitem>
4482             <para><literal>module GMap (GMapKey(..), GMap(..))
4483                 where...</literal>: As before, but also exports all the data
4484               constructors <literal>GMapInt</literal>, 
4485               <literal>GMapChar</literal>,  
4486               <literal>GMapUnit</literal>, <literal>GMapPair</literal>,
4487               and <literal>GMapUnit</literal>.</para>
4488           </listitem>
4489           <listitem>
4490             <para><literal>module GMap (GMapKey(empty, lookup, insert),
4491             GMap(..)) where...</literal>: As before.</para>
4492           </listitem>
4493           <listitem>
4494             <para><literal>module GMap (GMapKey, empty, lookup, insert, GMap(..))
4495                 where...</literal>: As before.</para>
4496           </listitem>
4497         </itemizedlist>
4498       </para>
4499       <para>
4500         Finally, you can write <literal>GMapKey(type GMap)</literal> to denote
4501         both the class <literal>GMapKey</literal> as well as its associated
4502         type <literal>GMap</literal>.  However, you cannot
4503         write <literal>GMapKey(type GMap(..))</literal> &mdash; i.e.,
4504         sub-component specifications cannot be nested.  To
4505         specify <literal>GMap</literal>'s data constructors, you have to list
4506         it separately. 
4507       </para>
4508     </sect4>
4509
4510     <sect4 id="data-family-impexp-instances">
4511       <title>Instances</title>
4512       <para>
4513         Family instances are implicitly exported, just like class instances.
4514         However, this applies only to the heads of instances, not to the data
4515         constructors an instance defines. 
4516       </para>
4517     </sect4>
4518
4519   </sect3>
4520
4521 </sect2>
4522
4523 <sect2 id="synonym-families">
4524   <title>Synonym families</title>
4525
4526   <para>
4527     Type families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4528     toplevel or (2) they can appear inside type classes (in which case they
4529     are known as associated type synonyms).  The former is the more general
4530     variant, as it lacks the requirement for the type-indexes to coincide with
4531     the class parameters.  However, the latter can lead to more clearly
4532     structured code and compiler warnings if some type instances were -
4533     possibly accidentally - omitted.  In the following, we always discuss the
4534     general toplevel form first and then cover the additional constraints
4535     placed on associated types.
4536   </para>
4537
4538   <sect3 id="type-family-declarations">
4539     <title>Type family declarations</title>
4540
4541     <para>
4542       Indexed type families are introduced by a signature, such as 
4543 <programlisting>
4544 type family Elem c :: *
4545 </programlisting>
4546       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4547       type declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4548       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is 
4549 <programlisting>
4550 type family Elem c
4551 </programlisting>
4552       Parameters can also be given explicit kind signatures if needed.  We
4553       call the number of parameters in a type family declaration, the family's
4554       arity, and all applications of a type family must be fully saturated
4555       w.r.t. to that arity.  This requirement is unlike ordinary type synonyms
4556       and it implies that the kind of a type family is not sufficient to
4557       determine a family's arity, and hence in general, also insufficient to
4558       determine whether a type family application is well formed.  As an
4559       example, consider the following declaration: 
4560 <programlisting>
4561 type family F a b :: * -> *   -- F's arity is 2, 
4562                               -- although its overall kind is * -> * -> * -> *
4563 </programlisting>
4564       Given this declaration the following are examples of well-formed and
4565       malformed types: 
4566 <programlisting>
4567 F Char [Int]       -- OK!  Kind: * -> *
4568 F Char [Int] Bool  -- OK!  Kind: *
4569 F IO Bool          -- WRONG: kind mismatch in the first argument
4570 F Bool             -- WRONG: unsaturated application
4571 </programlisting>
4572       </para>
4573
4574     <sect4 id="assoc-type-family-decl">
4575       <title>Associated type family declarations</title>
4576       <para>
4577         When a type family is declared as part of a type class, we drop
4578         the <literal>family</literal> special.  The <literal>Elem</literal>
4579         declaration takes the following form 
4580 <programlisting>
4581 class Collects ce where
4582   type Elem ce :: *
4583   ...
4584 </programlisting>
4585         The argument names of the type family must be class parameters.  Each
4586         class parameter may only be used at most once per associated type, but
4587         some may be omitted and they may be in an order other than in the
4588         class head.  Hence, the following contrived example is admissible: 
4589 <programlisting>
4590 class C a b c where
4591   type T c a :: *
4592 </programlisting>
4593         These rules are exactly as for associated data families.
4594       </para>
4595     </sect4>
4596   </sect3>
4597
4598   <sect3 id="type-instance-declarations">
4599     <title>Type instance declarations</title>
4600     <para>
4601       Instance declarations of type families are very similar to standard type
4602       synonym declarations.  The only two differences are that the
4603       keyword <literal>type</literal> is followed
4604       by <literal>instance</literal> and that some or all of the type
4605       arguments can be non-variable types, but may not contain forall types or
4606       type synonym families. However, data families are generally allowed, and
4607       type synonyms are allowed as long as they are fully applied and expand
4608       to a type that is admissible - these are the exact same requirements as
4609       for data instances.  For example, the <literal>[e]</literal> instance
4610       for <literal>Elem</literal> is 
4611 <programlisting>
4612 type instance Elem [e] = e
4613 </programlisting>
4614     </para>
4615     <para>
4616       Type family instance declarations are only legitimate when an
4617       appropriate family declaration is in scope - just like class instances
4618       require the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4619       declaration has to conform to the kind determined by its family
4620       declaration, and the number of type parameters in an instance
4621       declaration must match the number of type parameters in the family
4622       declaration.   Finally, the right-hand side of a type instance must be a
4623       monotype (i.e., it may not include foralls) and after the expansion of
4624       all saturated vanilla type synonyms, no synonyms, except family synonyms
4625       may remain.  Here are some examples of admissible and illegal type
4626       instances: 
4627 <programlisting>
4628 type family F a :: *
4629 type instance F [Int]              = Int         -- OK!
4630 type instance F String             = Char        -- OK!
4631 type instance F (F a)              = a           -- WRONG: type parameter mentions a type family
4632 type instance F (forall a. (a, b)) = b           -- WRONG: a forall type appears in a type parameter
4633 type instance F Float              = forall a.a  -- WRONG: right-hand side may not be a forall type
4634
4635 type family G a b :: * -> *
4636 type instance G Int            = (,)     -- WRONG: must be two type parameters
4637 type instance G Int Char Float = Double  -- WRONG: must be two type parameters
4638 </programlisting>
4639     </para>
4640
4641     <sect4 id="assoc-type-instance">
4642       <title>Associated type instance declarations</title>
4643       <para>
4644         When an associated family instance is declared within a type class
4645         instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the family
4646         instance.  So, the <literal>[e]</literal> instance
4647         for <literal>Elem</literal> becomes: 
4648 <programlisting>
4649 instance (Eq (Elem [e])) => Collects ([e]) where
4650   type Elem [e] = e
4651   ...
4652 </programlisting>
4653         The most important point about associated family instances is that the
4654         type indexes corresponding to class parameters must be identical to the
4655         type given in the instance head; here this is <literal>[e]</literal>,
4656         which coincides with the only class parameter. 
4657       </para>
4658       <para>
4659         Instances for an associated family can only appear as part of  instances
4660         declarations of the class in which the family was declared - just as
4661         with the equations of the methods of a class.  Also in correspondence to
4662         how methods are handled, declarations of associated types can be omitted
4663         in class instances.  If an associated family instance is omitted, the
4664         corresponding instance type is not inhabited; i.e., only diverging
4665         expressions, such as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4666       </para>
4667     </sect4>
4668
4669     <sect4 id="type-family-overlap">
4670       <title>Overlap of type synonym instances</title>
4671       <para>
4672         The instance declarations of a type family used in a single program
4673         may only overlap if the right-hand sides of the overlapping instances
4674         coincide for the overlapping types.  More formally, two instance
4675         declarations overlap if there is a substitution that makes the
4676         left-hand sides of the instances syntactically the same.  Whenever
4677         that is the case, the right-hand sides of the instances must also be
4678         syntactically equal under the same substitution.  This condition is
4679         independent of whether the type family is associated or not, and it is
4680         not only a matter of consistency, but one of type safety. 
4681       </para>
4682       <para>
4683         Here are two example to illustrate the condition under which overlap
4684         is permitted. 
4685 <programlisting>
4686 type instance F (a, Int) = [a]
4687 type instance F (Int, b) = [b]   -- overlap permitted
4688
4689 type instance G (a, Int)  = [a]
4690 type instance G (Char, a) = [a]  -- ILLEGAL overlap, as [Char] /= [Int]
4691 </programlisting>
4692       </para>
4693     </sect4>
4694
4695     <sect4 id="type-family-decidability">
4696       <title>Decidability of type synonym instances</title>
4697       <para>
4698         In order to guarantee that type inference in the presence of type
4699         families decidable, we need to place a number of additional
4700         restrictions on the formation of type instance declarations (c.f.,
4701         Definition 5 (Relaxed Conditions) of &ldquo;<ulink 
4702         url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4703           Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;).  Instance
4704           declarations have the general form 
4705 <programlisting>
4706 type instance F t1 .. tn = t
4707 </programlisting>
4708         where we require that for every type family application <literal>(G s1
4709         .. sm)</literal> in <literal>t</literal>,  
4710         <orderedlist>
4711           <listitem>
4712             <para><literal>s1 .. sm</literal> do not contain any type family
4713             constructors,</para>
4714           </listitem>
4715           <listitem>
4716             <para>the total number of symbols (data type constructors and type
4717             variables) in <literal>s1 .. sm</literal> is strictly smaller than
4718             in <literal>t1 .. tn</literal>, and</para> 
4719           </listitem>
4720           <listitem>
4721             <para>for every type
4722             variable <literal>a</literal>, <literal>a</literal> occurs
4723             in <literal>s1 .. sm</literal> at most as often as in <literal>t1
4724             .. tn</literal>.</para>
4725           </listitem>
4726         </orderedlist>
4727         These restrictions are easily verified and ensure termination of type
4728         inference.  However, they are not sufficient to guarantee completeness
4729         of type inference in the presence of, so called, ''loopy equalities'',
4730         such as <literal>a ~ [F a]</literal>, where a recursive occurrence of
4731         a type variable is underneath a family application and data
4732         constructor application - see the above mentioned paper for details.   
4733       </para>
4734       <para>
4735         If the option <option>-XUndecidableInstances</option> is passed to the
4736         compiler, the above restrictions are not enforced and it is on the
4737         programmer to ensure termination of the normalisation of type families
4738         during type inference. 
4739       </para>
4740     </sect4>
4741   </sect3>
4742
4743   <sect3 id-="equality-constraints">
4744     <title>Equality constraints</title>
4745     <para>
4746       Type context can include equality constraints of the form <literal>t1 ~
4747       t2</literal>, which denote that the types <literal>t1</literal>
4748       and <literal>t2</literal> need to be the same.  In the presence of type
4749       families, whether two types are equal cannot generally be decided
4750       locally.  Hence, the contexts of function signatures may include
4751       equality constraints, as in the following example: 
4752 <programlisting>
4753 sumCollects :: (Collects c1, Collects c2, Elem c1 ~ Elem c2) => c1 -> c2 -> c2
4754 </programlisting>
4755       where we require that the element type of <literal>c1</literal>
4756       and <literal>c2</literal> are the same.  In general, the
4757       types <literal>t1</literal> and <literal>t2</literal> of an equality
4758       constraint may be arbitrary monotypes; i.e., they may not contain any
4759       quantifiers, independent of whether higher-rank types are otherwise
4760       enabled. 
4761     </para>
4762     <para>
4763       Equality constraints can also appear in class and instance contexts.
4764       The former enable a simple translation of programs using functional
4765       dependencies into programs using family synonyms instead.  The general
4766       idea is to rewrite a class declaration of the form 
4767 <programlisting>
4768 class C a b | a -> b
4769 </programlisting>
4770       to
4771 <programlisting>
4772 class (F a ~ b) => C a b where
4773   type F a
4774 </programlisting>
4775       That is, we represent every functional dependency (FD) <literal>a1 .. an
4776       -> b</literal> by an FD type family <literal>F a1 .. an</literal> and a
4777       superclass context equality <literal>F a1 .. an ~ b</literal>,
4778       essentially giving a name to the functional dependency.  In class
4779       instances, we define the type instances of FD families in accordance
4780       with the class head.  Method signatures are not affected by that
4781       process. 
4782     </para>
4783     <para>
4784       NB: Equalities in superclass contexts are not fully implemented in
4785       GHC 6.10. 
4786     </para>
4787   </sect3>
4788
4789   <sect3 id-="ty-fams-in-instances">
4790     <title>Type families and instance declarations</title>
4791     <para>Type families require us to extend the rules for 
4792       the form of instance heads, which are given 
4793       in <xref linkend="flexible-instance-head"/>.
4794       Specifically:
4795 <itemizedlist>
4796  <listitem><para>Data type families may appear in an instance head</para></listitem>
4797  <listitem><para>Type synonym families may not appear (at all) in an instance head</para></listitem>
4798 </itemizedlist>
4799 The reason for the latter restriction is that there is no way to check for. Consider
4800 <programlisting>
4801    type family F a
4802    type instance F Bool = Int
4803
4804    class C a
4805
4806    instance C Int
4807    instance C (F a)
4808 </programlisting>
4809 Now a constraint <literal>(C (F Bool))</literal> would match both instances.
4810 The situation is especially bad because the type instance for <literal>F Bool</literal>
4811 might be in another module, or even in a module that is not yet written.
4812 </para>
4813 </sect3>
4814 </sect2>
4815
4816 </sect1>
4817
4818 <sect1 id="other-type-extensions">
4819 <title>Other type system extensions</title>
4820
4821 <sect2 id="explicit-foralls"><title>Explicit universal quantification (forall)</title>
4822 <para>
4823 Haskell type signatures are implicitly quantified.  When the language option <option>-XExplicitForAll</option>
4824 is used, the keyword <literal>forall</literal>
4825 allows us to say exactly what this means.  For example:
4826 </para>
4827 <para>
4828 <programlisting>
4829         g :: b -> b
4830 </programlisting>
4831 means this:
4832 <programlisting>
4833         g :: forall b. (b -> b)
4834 </programlisting>
4835 The two are treated identically.
4836 </para>
4837 <para>
4838 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
4839 a type variable any more!
4840 </para>
4841 </sect2>
4842
4843
4844 <sect2 id="flexible-contexts"><title>The context of a type signature</title>
4845 <para>
4846 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag lifts the Haskell 98 restriction
4847 that the type-class constraints in a type signature must have the 
4848 form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
4849 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>. 
4850 With <option>-XFlexibleContexts</option>
4851 these type signatures are perfectly OK
4852 <programlisting>
4853   g :: Eq [a] => ...
4854   g :: Ord (T a ()) => ...
4855 </programlisting>
4856 The flag <option>-XFlexibleContexts</option> also lifts the corresponding
4857 restriction on class declarations (<xref linkend="superclass-rules"/>) and instance declarations
4858 (<xref linkend="instance-rules"/>).
4859 </para>
4860
4861 <para>
4862 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
4863 Consider the type:
4864
4865 <programlisting>
4866   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
4867 </programlisting>
4868
4869 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
4870 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
4871 explicit source-language type signature are universally quantified,
4872 except for the class type variables in a class declaration.  However,
4873 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="explicit-foralls"/>).
4874 </para>
4875
4876 <para>
4877
4878 <orderedlist>
4879 <listitem>
4880
4881 <para>
4882  <emphasis>Each universally quantified type variable
4883 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
4884
4885 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it appears
4886 in the same constraint as either a type variable free in
4887 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
4888 A value with a type that does not obey 
4889 this reachability restriction cannot be used without introducing
4890 ambiguity; that is why the type is rejected.
4891 Here, for example, is an illegal type:
4892
4893
4894 <programlisting>
4895   forall a. Eq a => Int
4896 </programlisting>
4897
4898
4899 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
4900 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
4901 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
4902 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
4903 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
4904 get any more information about <literal>tv</literal>.
4905 </para>
4906 <para>
4907 Note
4908 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
4909 functionally dependent on a type variable free in
4910 <literal>type</literal> (see <xref
4911 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
4912 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
4913 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
4914 For example, consider:
4915 <programlisting>
4916   class C a b | a -> b where ...
4917   class C a b => D a b where ...
4918   f :: forall a b. D a b => a -> a
4919 </programlisting>
4920 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
4921 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
4922 </para>
4923 </listitem>
4924 <listitem>
4925
4926 <para>
4927  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
4928 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
4929
4930 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
4931 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
4932
4933
4934 <programlisting>
4935   forall a. C a b => burble
4936 </programlisting>
4937
4938
4939 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
4940 mention <literal>a</literal>:
4941
4942
4943 <programlisting>
4944   forall a. Eq b => burble
4945 </programlisting>
4946
4947
4948 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
4949 excluded types are never useful or necessary (because the offending
4950 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
4951 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
4952 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
4953 territory free in case we need it later.
4954
4955 </para>
4956 </listitem>
4957
4958 </orderedlist>
4959
4960 </para>
4961
4962 </sect2>
4963
4964 <sect2 id="implicit-parameters">
4965 <title>Implicit parameters</title>
4966
4967 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
4968 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
4969 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
4970 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
4971 Boston, Jan 2000.
4972 </para>
4973
4974 <para>(Most of the following, still rather incomplete, documentation is
4975 due to Jeff Lewis.)</para>
4976
4977 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
4978 <option>-XImplicitParams</option>.</para>
4979
4980 <para>
4981 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
4982 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
4983 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
4984 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
4985 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
4986 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
4987 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
4988 only support static scoping of variables.
4989 </para>
4990 <para>
4991 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
4992 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
4993 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
4994 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
4995 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
4996 of type <literal>t'</literal>". For
4997 example, the following expresses the type of a sort function,
4998 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
4999 <programlisting>
5000   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
5001 </programlisting>
5002 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
5003 </para>
5004 <para>
5005 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
5006 where <literal>x</literal> is
5007 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
5008 Use of this construct also introduces a new
5009 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
5010 For example, the following definition
5011 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
5012 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
5013 <programlisting>
5014   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
5015
5016   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
5017   sort    = sortBy ?cmp
5018 </programlisting>
5019 </para>
5020
5021 <sect3>
5022 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
5023 <para>
5024 Dynamic binding constraints behave just like other type class
5025 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
5026 function is used, its implicit parameters are inherited by the
5027 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
5028 to pick out the least value in a list:
5029 <programlisting>
5030   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
5031   least xs = head (sort xs)
5032 </programlisting>
5033 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
5034 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
5035 parameters, the default is that parameters must always be explicit
5036 propagated. With implicit parameters, the default is to always
5037 propagate them.
5038 </para>
5039 <para>
5040 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
5041 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
5042 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
5043 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
5044 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
5045 class constraints.
5046 </para>
5047
5048 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
5049 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
5050 <programlisting>
5051   class (?x::Int) => C a where ...
5052   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
5053 </programlisting>
5054 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
5055 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
5056 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
5057 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
5058 <para>
5059 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
5060 <programlisting>
5061    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
5062    f n = n + length ?x
5063
5064    g :: (Read a, Show a) => String -> String
5065    g s = show (read s)
5066 </programlisting>
5067 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
5068 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
5069 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
5070 </para>
5071 </sect3>
5072
5073 <sect3>
5074 <title>Implicit-parameter bindings</title>
5075
5076 <para>
5077 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
5078 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
5079 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
5080 <literal>cmp</literal>.
5081 <programlisting>
5082   min :: [a] -> a
5083   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
5084 </programlisting>
5085 </para>
5086 <para>
5087 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
5088 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
5089 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
5090 or a <literal>where</literal> clause.
5091 Note the following points:
5092 <itemizedlist>
5093 <listitem><para>
5094 An implicit-parameter binding group must be a
5095 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
5096 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
5097 neither polymorphic or recursive.  
5098 </para></listitem>
5099 <listitem><para>
5100 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
5101 single <literal>let</literal>
5102 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
5103 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
5104 </para></listitem>
5105
5106 <listitem><para>
5107 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
5108 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
5109 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
5110 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
5111 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
5112 the meaning of the program.
5113 For example, consider:
5114 <programlisting>
5115   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
5116 </programlisting>
5117 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
5118 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
5119 <programlisting>
5120   f :: (?x::Int) => Int -> Int
5121 </programlisting>
5122 </para></listitem>
5123 </itemizedlist>
5124 </para>
5125
5126 </sect3>
5127
5128 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
5129
5130 <para>
5131 Consider these two definitions:
5132 <programlisting>
5133   len1 :: [a] -> Int
5134   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
5135
5136   len_acc1 [] = ?acc
5137   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
5138
5139   ------------
5140
5141   len2 :: [a] -> Int
5142   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
5143
5144   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
5145   len_acc2 [] = ?acc
5146   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
5147 </programlisting>
5148 The only difference between the two groups is that in the second group
5149 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
5150 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
5151 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
5152 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
5153 has a type signature, the recursive call is made to the
5154 <emphasis>polymorphic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
5155 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
5156 <programlisting>
5157   Prog> len1 "hello"
5158   0
5159   Prog> len2 "hello"
5160   5
5161 </programlisting>
5162 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
5163 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
5164 </para>
5165 </sect3>
5166
5167 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
5168
5169 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
5170 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
5171 <programlisting>
5172  f :: Int -> Int
5173   f v = let ?x = 0     in
5174         let y = ?x + v in
5175         let ?x = 5     in
5176         y
5177 </programlisting>
5178 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
5179 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
5180 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
5181 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
5182 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
5183 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
5184 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
5185 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
5186 <literal>14</literal>.
5187 </para>
5188 </sect3>
5189 </sect2>
5190
5191     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
5192
5193     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
5194     them from the 6.6 user manual
5195
5196 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
5197 <title>Linear implicit parameters</title>
5198 <para>
5199 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
5200 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
5201 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
5202 </para>
5203 <itemizedlist>
5204 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
5205 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
5206 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
5207 </itemizedlist>
5208
5209 <para>
5210 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
5211 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
5212 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
5213 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
5214 (The '/' in the '%' suggests the split!)
5215 </para>
5216 <para>
5217 For example:
5218 <programlisting>
5219     import GHC.Exts( Splittable )
5220
5221     data NameSupply = ...
5222     
5223     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
5224     newName :: NameSupply -> Name
5225
5226     instance Splittable NameSupply where
5227         split = splitNS
5228
5229
5230     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5231     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5232                     where
5233                       x'   = newName %ns
5234                       env' = extend env x x'
5235     ...more equations for f...
5236 </programlisting>
5237 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
5238 <itemizedlist>
5239 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
5240 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
5241 </itemizedlist>
5242 </para>
5243 <para>
5244 So the translation done by the type checker makes
5245 the parameter explicit:
5246 <programlisting>
5247     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
5248     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
5249                        where
5250                          (ns1,ns2) = splitNS ns
5251                          x' = newName ns2
5252                          env = extend env x x'
5253 </programlisting>
5254 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
5255 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
5256 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
5257 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
5258 <programlisting>
5259         class Splittable a where
5260           split :: a -> (a,a)
5261 </programlisting>
5262 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
5263 split for name supplies.  But we can simply write
5264 <programlisting>
5265         g x = (x, %ns, %ns)
5266 </programlisting>
5267 and GHC will infer
5268 <programlisting>
5269         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
5270 </programlisting>
5271 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
5272 <literal>GHC.Exts</literal>.
5273 </para>
5274 <para>
5275 Other points:
5276 <itemizedlist>
5277 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
5278 are entirely distinct implicit parameters: you 
5279   can use them together and they won't interfere with each other. </para>
5280 </listitem>
5281
5282 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
5283
5284 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
5285   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
5286 </itemizedlist>
5287 </para>
5288
5289 <sect3><title>Warnings</title>
5290
5291 <para>
5292 The monomorphism restriction is even more important than usual.
5293 Consider the example above:
5294 <programlisting>
5295     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5296     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5297                     where
5298                       x'   = newName %ns
5299                       env' = extend env x x'
5300 </programlisting>
5301 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
5302 usually a harmless thing to do, we get:
5303 <programlisting>
5304     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5305     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
5306                     where
5307                       env' = extend env x (newName %ns)
5308 </programlisting>
5309 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
5310 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
5311 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
5312 the beta rule.
5313 </para>
5314 <para>
5315 Well, this is an experimental change.  With implicit
5316 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
5317 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
5318 Haskell programs without knowing their typing.
5319 </para>
5320
5321 </sect3>
5322
5323 <sect3><title>Recursive functions</title>
5324 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
5325 Consider
5326 <programlisting>
5327         foo :: %x::T => Int -> [Int]
5328         foo 0 = []
5329         foo n = %x : foo (n-1)
5330 </programlisting>
5331 where T is some type in class Splittable.</para>
5332 <para>
5333 Do you get a list of all the same T's or all different T's
5334 (assuming that split gives two distinct T's back)?
5335 </para><para>
5336 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
5337 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
5338 translated term, where the implicit param is made explicit:
5339 <programlisting>
5340         foo x 0 = []
5341         foo x n = let (x1,x2) = split x
5342                   in x1 : foo x2 (n-1)
5343 </programlisting>
5344 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
5345 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
5346 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
5347 work.  So the translation becomes
5348 <programlisting>
5349         foo x = let
5350                   foom 0 = []
5351                   foom n = x : foom (n-1)
5352                 in
5353                 foom
5354 </programlisting>
5355 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
5356 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
5357 Yikes!
5358 </para><para>
5359 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
5360 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
5361 </para>
5362 </sect3>
5363
5364 </sect2>
5365
5366 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
5367
5368 <sect2 id="kinding">
5369 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
5370
5371 <para>
5372 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
5373 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
5374 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
5375 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
5376 John Hughes had to define the data type:
5377 <screen>
5378      data Set cxt a = Set [a]
5379                     | Unused (cxt a -> ())
5380 </screen>
5381 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
5382 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
5383 </para>
5384 <para>
5385 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
5386 a type variable is explicitly bound, with the flag <option>-XKindSignatures</option>.
5387 </para>
5388 <para>
5389 This flag enables kind signatures in the following places:
5390 <itemizedlist>
5391 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
5392 <screen>
5393   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
5394 </screen></para></listitem>
5395 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
5396 <screen>
5397   type T (f :: * -> *) = f Int
5398 </screen></para></listitem>
5399 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
5400 <screen>
5401   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
5402 </screen></para></listitem>
5403 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
5404 <screen>
5405   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
5406 </screen></para></listitem>
5407 </itemizedlist>
5408 </para>
5409
5410 <para>
5411 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
5412 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
5413 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
5414 single lexeme in Haskell.
5415 </para>
5416
5417 <para>
5418 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
5419 as well.  Thus:
5420 <screen>
5421    f :: (Int :: *) -> Int
5422    g :: forall a. a -> (a :: *)
5423 </screen>
5424 The syntax is
5425 <screen>
5426    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
5427 </screen>
5428 The parentheses are required.
5429 </para>
5430 </sect2>
5431
5432
5433 <sect2 id="universal-quantification">
5434 <title>Arbitrary-rank polymorphism
5435 </title>
5436
5437 <para>
5438 GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
5439 explicit universal quantification in
5440 types. 
5441 For example, all the following types are legal:
5442 <programlisting>
5443     f1 :: forall a b. a -> b -> a
5444     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
5445
5446     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
5447     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
5448
5449     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
5450
5451     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
5452 </programlisting>
5453 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
5454 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
5455 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
5456 is implicitly added by Haskell.
5457 </para>
5458 <para>
5459 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
5460 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
5461 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
5462 </para>
5463 <para>
5464 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
5465 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
5466 </para>
5467 <para>
5468 GHC has three flags to control higher-rank types:
5469 <itemizedlist>
5470 <listitem><para>
5471  <option>-XPolymorphicComponents</option>: data constructors (only) can have polymorphic argument types.
5472 </para></listitem>
5473 <listitem><para>
5474  <option>-XRank2Types</option>: any function (including data constructors) can have a rank-2 type.
5475 </para></listitem>
5476 <listitem><para>
5477  <option>-XRankNTypes</option>: any function (including data constructors) can have an arbitrary-rank type.
5478 That is,  you can nest <literal>forall</literal>s
5479 arbitrarily deep in function arrows.
5480 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
5481 including an operational type class context, is legal:
5482 <itemizedlist>
5483 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
5484 of a function arrow </para> </listitem>
5485 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
5486 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
5487 field type signatures.</para> </listitem>
5488 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
5489 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
5490 </itemizedlist>
5491 </para></listitem>
5492 </itemizedlist>
5493 </para>
5494
5495
5496 <sect3 id="univ">
5497 <title>Examples
5498 </title>
5499
5500 <para>
5501 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
5502 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
5503 </para>
5504
5505 <para>
5506
5507 <programlisting>
5508 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
5509
5510 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
5511                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
5512                         }
5513
5514 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
5515 </programlisting>
5516
5517 </para>
5518
5519 <para>
5520 The constructors have rank-2 types:
5521 </para>
5522
5523 <para>
5524
5525 <programlisting>
5526 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
5527 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
5528                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
5529                   -> MonadT m
5530 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
5531 </programlisting>
5532
5533 </para>
5534
5535 <para>
5536 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
5537 explicit context.  For example in the first argument of the
5538 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
5539 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
5540 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
5541 mentioned in the type quantified over.
5542 </para>
5543
5544 <para>
5545 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
5546 types too.  So if you write this:
5547
5548 <programlisting>
5549   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
5550 </programlisting>
5551
5552 it's just as if you had written this:
5553
5554 <programlisting>
5555   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
5556 </programlisting>
5557
5558 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
5559 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
5560 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
5561 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
5562 </para>
5563
5564 <para>
5565 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
5566 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
5567 </para>
5568
5569 <para>
5570
5571 <programlisting>
5572     a1 :: T Int
5573     a1 = T1 (\xy->x) 3
5574     
5575     a2, a3 :: Swizzle
5576     a2 = MkSwizzle sort
5577     a3 = MkSwizzle reverse
5578     
5579     a4 :: MonadT Maybe
5580     a4 = let r x = Just x
5581              b m k = case m of
5582                        Just y -> k y
5583                        Nothing -> Nothing
5584          in
5585          MkMonad r b
5586
5587     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
5588     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
5589 </programlisting>
5590
5591 </para>
5592
5593 <para>
5594 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
5595 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
5596 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
5597 </para>
5598
5599 <para>
5600 When you use pattern matching, the bound variables may now have
5601 polymorphic types.  For example:
5602 </para>
5603
5604 <para>
5605
5606 <programlisting>
5607     f :: T a -> a -> (a, Char)
5608     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5609
5610     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
5611     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
5612
5613     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
5614     h m [] = return m []
5615     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
5616                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
5617                  return m (y:ys)
5618 </programlisting>
5619
5620 </para>
5621
5622 <para>
5623 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
5624 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
5625 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
5626 matching.
5627 </para>
5628 </sect3>
5629
5630 <sect3>
5631 <title>Type inference</title>
5632
5633 <para>
5634 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
5635 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
5636 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
5637 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
5638 </para>
5639 <para>
5640 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
5641 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
5642 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
5643 </para>
5644 <para>
5645 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
5646 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
5647 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
5648 <programlisting>
5649      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
5650 </programlisting>
5651 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
5652 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
5653 <programlisting>
5654      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5655 </programlisting>
5656 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
5657 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
5658 one can give a type signature for the function itself:
5659 <programlisting>
5660      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5661      h f = (f True, f 'c')
5662 </programlisting>
5663 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
5664 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
5665 <programlisting>
5666     f :: T a -> a -> (a, Char)
5667     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5668 </programlisting>
5669 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
5670 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
5671 it needs to know.
5672 </para>
5673
5674 </sect3>
5675
5676
5677 <sect3 id="implicit-quant">
5678 <title>Implicit quantification</title>
5679
5680 <para>
5681 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
5682 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
5683 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
5684 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
5685 equivalent:
5686 <programlisting>
5687   f :: a -> a
5688   f :: forall a. a -> a
5689
5690   g (x::a) = let
5691                 h :: a -> b -> b
5692                 h x y = y
5693              in ...
5694   g (x::a) = let
5695                 h :: forall b. a -> b -> b
5696                 h x y = y
5697              in ...
5698 </programlisting>
5699 </para>
5700 <para>
5701 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
5702 point.  For example:
5703 <programlisting>
5704   f :: (a -> a) -> Int
5705            -- MEANS
5706   f :: forall a. (a -> a) -> Int
5707            -- NOT
5708   f :: (forall a. a -> a) -> Int
5709
5710
5711   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
5712            -- MEANS the illegal type
5713   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
5714            -- NOT
5715   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
5716 </programlisting>
5717 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
5718 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
5719 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
5720 for rank-2 types.
5721 </para>
5722 </sect3>
5723 </sect2>
5724
5725
5726 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
5727 <title>Impredicative polymorphism
5728 </title>
5729 <para><emphasis>NOTE: the impredicative-polymorphism feature is deprecated in GHC 6.12, and
5730 will be removed or replaced in GHC 6.14.</emphasis></para>
5731
5732 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>, 
5733 enabled with <option>-XImpredicativeTypes</option>.  
5734 This means
5735 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
5736 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
5737 <programlisting>
5738   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
5739   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
5740   f Nothing  = Nothing
5741 </programlisting>
5742 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
5743 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
5744 [a])</literal>.
5745 </para>
5746 <para>The technical details of this extension are described in the paper
5747 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy/">Boxy types:
5748 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
5749 which appeared at ICFP 2006.  
5750 </para>
5751 </sect2>
5752
5753 <sect2 id="scoped-type-variables">
5754 <title>Lexically scoped type variables
5755 </title>
5756
5757 <para>
5758 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
5759 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
5760 <programlisting>
5761 f :: forall a. [a] -> [a]
5762 f xs = ys ++ ys
5763      where
5764        ys :: [a]
5765        ys = reverse xs
5766 </programlisting>
5767 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope,
5768 because of the explicit <literal>forall</literal> (<xref linkend="decl-type-sigs"/>).
5769 The type variables bound by a <literal>forall</literal> scope over
5770 the entire definition of the accompanying value declaration.
5771 In this example, the type variable <literal>a</literal> scopes over the whole 
5772 definition of <literal>f</literal>, including over
5773 the type signature for <varname>ys</varname>. 
5774 In Haskell 98 it is not possible to declare
5775 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
5776 it becomes possible to do so.
5777 </para>
5778 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
5779 <option>-XScopedTypeVariables</option>.  This flag implies <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
5780 </para>
5781 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
5782 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
5783 carefully!</para>
5784
5785 <sect3>
5786 <title>Overview</title>
5787
5788 <para>The design follows the following principles
5789 <itemizedlist>
5790 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
5791 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
5792 design.)</para></listitem>
5793 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
5794 type variables.  This means that every programmer-written type signature
5795 (including one that contains free scoped type variables) denotes a
5796 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
5797 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
5798 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
5799 changing the program.</para></listitem>
5800 </itemizedlist>
5801 </para>
5802 <para>
5803 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
5804 <itemizedlist>
5805 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
5806 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
5807 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
5808 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
5809 </itemizedlist>
5810 </para>
5811 <para>
5812 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantified over
5813 its free type variables (<ulink
5814 url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
5815 4.1.2</ulink> 
5816 of the Haskell Report).
5817 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
5818 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
5819 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
5820 then
5821 <programlisting>
5822   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
5823   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
5824   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
5825 </programlisting>
5826 </para>
5827
5828
5829 </sect3>
5830
5831
5832 <sect3 id="decl-type-sigs">
5833 <title>Declaration type signatures</title>
5834 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5835 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5836 explicitly-quantified
5837 type variables, in the definition of the named function.  For example:
5838 <programlisting>
5839   f :: forall a. [a] -> [a]
5840   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5841 </programlisting>
5842 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
5843 the definition of "<literal>f</literal>".
5844 </para>
5845 <para>This only happens if:
5846 <itemizedlist>
5847 <listitem><para> The quantification in <literal>f</literal>'s type
5848 signature is explicit.  For example:
5849 <programlisting>
5850   g :: [a] -> [a]
5851   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5852 </programlisting>
5853 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
5854 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
5855 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
5856 quantification rules.
5857 </para></listitem>
5858 <listitem><para> The signature gives a type for a function binding or a bare variable binding, 
5859 not a pattern binding.
5860 For example:
5861 <programlisting>
5862   f1 :: forall a. [a] -> [a]
5863   f1 (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5864
5865   f2 :: forall a. [a] -> [a]
5866   f2 = \(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5867
5868   f3 :: forall a. [a] -> [a] 
5869   Just f3 = Just (\(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ])   -- Not OK!
5870 </programlisting>
5871 The binding for <literal>f3</literal> is a pattern binding, and so its type signature
5872 does not bring <literal>a</literal> into scope.   However <literal>f1</literal> is a
5873 function binding, and <literal>f2</literal> binds a bare variable; in both cases
5874 the type signature brings <literal>a</literal> into scope.
5875 </para></listitem>
5876 </itemizedlist>
5877 </para>
5878 </sect3>
5879
5880 <sect3 id="exp-type-sigs">
5881 <title>Expression type signatures</title>
5882
5883 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5884 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5885 explicitly-quantified
5886 type variables, in the annotated expression.  For example:
5887 <programlisting>
5888   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
5889 </programlisting>
5890 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
5891 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
5892 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
5893 </para>
5894
5895 </sect3>
5896
5897 <sect3 id="pattern-type-sigs">
5898 <title>Pattern type signatures</title>
5899 <para>
5900 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
5901 signature</emphasis>. 
5902 For example:
5903 <programlisting>
5904   -- f and g assume that 'a' is already in scope
5905   f = \(x::Int, y::a) -> x
5906   g (x::a) = x
5907   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
5908 </programlisting>
5909 In the case where all the type variables in the pattern type signature are
5910 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
5911 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
5912 </para>
5913 <para>
5914 Unlike expression and declaration type signatures, pattern type signatures are not implicitly generalised.
5915 The pattern in a <emphasis>pattern binding</emphasis> may only mention type variables
5916 that are already in scope.  For example:
5917 <programlisting>
5918   f :: forall a. [a] -> (Int, [a])
5919   f xs = (n, zs)
5920     where
5921       (ys::[a], n) = (reverse xs, length xs) -- OK
5922       zs::[a] = xs ++ ys                     -- OK
5923
5924       Just (v::b) = ...  -- Not OK; b is not in scope
5925 </programlisting>
5926 Here, the pattern signatures for <literal>ys</literal> and <literal>zs</literal>
5927 are fine, but the one for <literal>v</literal> is not because <literal>b</literal> is
5928 not in scope. 
5929 </para>
5930 <para>
5931 However, in all patterns <emphasis>other</emphasis> than pattern bindings, a pattern
5932 type signature may mention a type variable that is not in scope; in this case,
5933 <emphasis>the signature brings that type variable into scope</emphasis>.
5934 This is particularly important for existential data constructors.  For example:
5935 <programlisting>
5936   data T = forall a. MkT [a]
5937
5938   k :: T -> T
5939   k (MkT [t::a]) = MkT t3
5940                  where
5941                    t3::[a] = [t,t,t]
5942 </programlisting>
5943 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
5944 variable that is not already in scope.  Indeed, it <emphasis>cannot</emphasis> already be in scope,
5945 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
5946 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
5947 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
5948 existentially-bound type variable.
5949 </para>
5950 <para>
5951 When a pattern type signature binds a type variable in this way, GHC insists that the 
5952 type variable is bound to a <emphasis>rigid</emphasis>, or fully-known, type variable.
5953 This means that any user-written type signature always stands for a completely known type.
5954 </para>
5955 <para>
5956 If all this seems a little odd, we think so too.  But we must have
5957 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
5958 could not name existentially-bound type variables in subsequent type signatures.
5959 </para>
5960 <para>
5961 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
5962 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
5963 scope.
5964 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
5965 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
5966 </para>
5967
5968
5969 </sect3>
5970
5971 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
5972
5973 <sect3 id="result-type-sigs">
5974 <title>Result type signatures</title>
5975
5976 <para>
5977 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
5978
5979 <programlisting>
5980   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5981   f x y :: [a] = [x,y,x]
5982
5983   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
5984
5985   h :: forall a. [a] -> a
5986   h xs = case xs of
5987             (y:ys) :: a -> y
5988 </programlisting>
5989 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
5990 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
5991 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
5992 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
5993 </para>
5994 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
5995 <para>
5996 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
5997 examples would parse quite differently with parentheses:
5998 <programlisting>
5999   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
6000   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
6001
6002   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
6003
6004   h :: forall a. [a] -> a
6005   h xs = case xs of
6006             ((y:ys) :: a) -> y
6007 </programlisting>
6008 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
6009 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
6010 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
6011
6012 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
6013 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
6014 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
6015 consider how one would parse this:
6016 <programlisting>
6017   \ x :: a -> b -> x
6018 </programlisting>
6019 </para>
6020 </sect3>
6021
6022  -->
6023
6024 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
6025 <title>Class and instance declarations</title>
6026 <para>
6027
6028 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
6029 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
6030
6031
6032 <programlisting>
6033   class C a where
6034     op :: [a] -> a
6035
6036     op xs = let ys::[a]
6037                 ys = reverse xs
6038             in
6039             head ys
6040 </programlisting>
6041 </para>
6042 </sect3>
6043
6044 </sect2>
6045
6046
6047 <sect2 id="typing-binds">
6048 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
6049
6050 <para>
6051 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
6052 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
6053 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
6054 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
6055 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
6056 As each group is type-checked, any binders of the group that
6057 have
6058 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
6059 polymorphic type,
6060 and all others are monomorphic until the group is generalised 
6061 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
6062 </para>
6063
6064 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
6065 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/424440.html">Typing Haskell in
6066 Haskell</ulink>,
6067 GHC implements a more general scheme.  If <option>-XRelaxedPolyRec</option> is
6068 specified:
6069 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
6070 type signature</emphasis>.
6071 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
6072 typecheck.  For example, consider:
6073 <programlisting>
6074   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
6075   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
6076   
6077   g y = (y &lt;= y) || f True
6078 </programlisting>
6079 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
6080 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
6081 <literal>f</literal>,
6082 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
6083 hand side is ignored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
6084 type is generalised, to get
6085 <programlisting>
6086   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
6087 </programlisting>
6088 Now, the definition for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
6089 <literal>g</literal> in the type environment.
6090 </para>
6091
6092 <para>
6093 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
6094 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
6095 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
6096 <option>-XRelaxedPolyRec</option>
6097 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
6098 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
6099 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
6100 <programlisting>
6101   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
6102   f x = (x == x) || g True
6103   
6104   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
6105   g y = (y &lt;= y) || f True
6106 </programlisting>
6107 </para>
6108 </sect2>
6109
6110 <sect2 id="mono-local-binds">
6111 <title>Monomorphic local bindings</title>
6112 <para>
6113 We are actively thinking of simplifying GHC's type system, by <emphasis>not generalising local bindings</emphasis>.
6114 The rationale is described in the paper 
6115 <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/constraints/index.htm">Let should not be generalised</ulink>.
6116 </para>
6117 <para>
6118 The experimental new behaviour is enabled by the flag <option>-XMonoLocalBinds</option>.  The effect is
6119 that local (that is, non-top-level) bindings without a type signature are not generalised at all.  You can
6120 think of it as an extreme (but much more predictable) version of the Monomorphism Restriction.
6121 If you supply a type signature, then the flag has no effect.
6122 </para>
6123 </sect2>
6124
6125 </sect1>
6126 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
6127   
6128 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
6129
6130 <sect1 id="template-haskell">
6131 <title>Template Haskell</title>
6132
6133 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
6134 Haskell.  
6135 The background to
6136 the main technical innovations is discussed in "<ulink
6137 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/">
6138 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
6139 </para>
6140 <para>
6141 There is a Wiki page about
6142 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6143 http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell</ulink>, and that is the best place to look for
6144 further details.
6145 You may also 
6146 consult the <ulink
6147 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
6148 Haskell library reference material</ulink> 
6149 (look for module <literal>Language.Haskell.TH</literal>).
6150 Many changes to the original design are described in 
6151       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/notes2.ps">
6152 Notes on Template Haskell version 2</ulink>.
6153 Not all of these changes are in GHC, however.
6154 </para>
6155
6156 <para> The first example from that paper is set out below (<xref linkend="th-example"/>) 
6157 as a worked example to help get you started. 
6158 </para>
6159
6160 <para>
6161 The documentation here describes the realisation of Template Haskell in GHC.  It is not detailed enough to 
6162 understand Template Haskell; see the <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6163 Wiki page</ulink>.
6164 </para>
6165
6166     <sect2>
6167       <title>Syntax</title>
6168
6169       <para> Template Haskell has the following new syntactic
6170       constructions.  You need to use the flag
6171       <option>-XTemplateHaskell</option>
6172         <indexterm><primary><option>-XTemplateHaskell</option></primary>
6173       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
6174       (<option>-XTemplateHaskell</option> is no longer implied by
6175       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
6176
6177         <itemizedlist>
6178               <listitem><para>
6179                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
6180                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
6181                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
6182                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
6183                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
6184                   </para>
6185               <para> A splice can occur in place of 
6186                   <itemizedlist>
6187                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
6188                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
6189                     <listitem><para> an type; the spliced expression must
6190                     have type <literal>Q Typ</literal></para></listitem>
6191                     <listitem><para> a list of top-level declarations; the spliced expression 
6192                     must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
6193                     </itemizedlist>
6194             Note that pattern splices are not supported.
6195             Inside a splice you can can only call functions defined in imported modules,
6196             not functions defined elsewhere in the same module.</para></listitem>
6197
6198               <listitem><para>
6199                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
6200                   <itemizedlist>
6201                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, or <literal>[e| ... |]</literal>, 
6202                              where the "..." is an expression; 
6203                              the quotation has type <literal>Q Exp</literal>.</para></listitem>
6204                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
6205                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
6206                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;
6207                              the quotation has type <literal>Q Type</literal>.</para></listitem>
6208                     <listitem><para> <literal>[p| ... |]</literal>, where the "..." is a pattern;
6209                              the quotation has type <literal>Q Pat</literal>.</para></listitem>
6210                   </itemizedlist></para></listitem>
6211
6212               <listitem><para>
6213                   A quasi-quotation can appear in either a pattern context or an
6214                   expression context and is also written in Oxford brackets:
6215                   <itemizedlist>
6216                     <listitem><para> <literal>[<replaceable>varid</replaceable>| ... |]</literal>,
6217                         where the "..." is an arbitrary string; a full description of the
6218                         quasi-quotation facility is given in <xref linkend="th-quasiquotation"/>.</para></listitem>
6219                   </itemizedlist></para></listitem>
6220
6221               <listitem><para>
6222                   A name can be quoted with either one or two prefix single quotes:
6223                   <itemizedlist>
6224                     <listitem><para> <literal>'f</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the function <literal>f</literal>.
6225                   Similarly <literal>'C</literal> has type <literal>Name</literal> and names the data constructor <literal>C</literal>.
6226                   In general <literal>'</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in an expression context.
6227                      </para></listitem> 
6228                     <listitem><para> <literal>''T</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the type constructor  <literal>T</literal>.
6229                   That is, <literal>''</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in a type context.
6230                      </para></listitem> 
6231                   </itemizedlist>
6232                   These <literal>Names</literal> can be used to construct Template Haskell expressions, patterns, declarations etc.  They
6233                   may also be given as an argument to the <literal>reify</literal> function.
6234                  </para>
6235                 </listitem>
6236
6237               <listitem><para> You may omit the <literal>$(...)</literal> in a top-level declaration splice. 
6238               Simply writing an expression (rather than a declaration) implies a splice.  For example, you can write
6239 <programlisting>
6240 module Foo where
6241 import Bar
6242
6243 f x = x
6244
6245 $(deriveStuff 'f)   -- Uses the $(...) notation
6246
6247 g y = y+1
6248
6249 deriveStuff 'g      -- Omits the $(...)
6250
6251 h z = z-1
6252 </programlisting>
6253             This abbreviation makes top-level declaration slices quieter and less intimidating.
6254             </para></listitem>
6255
6256                   
6257         </itemizedlist>
6258 (Compared to the original paper, there are many differences of detail.
6259 The syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>".
6260 The type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>.
6261 Pattern splices and quotations are not implemented.)
6262
6263 </sect2>
6264
6265 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
6266 <para>
6267 <itemizedlist>
6268     <listitem><para>
6269     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
6270     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
6271     </para></listitem>
6272
6273     <listitem><para>
6274     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
6275             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
6276             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
6277    </para></listitem>
6278
6279    <listitem><para>
6280    You can only run a function at compile time if it is imported
6281    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
6282    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  Furthermore, all of the modules of 
6283    the mutually-recursive group must be reachable by non-SOURCE imports from the module where the
6284    splice is to be run.</para>
6285    <para>
6286    For example, when compiling module A,
6287    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
6288    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
6289    </para></listitem>
6290
6291     <listitem><para>
6292             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
6293    </para></listitem>
6294     <listitem><para>
6295             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
6296               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
6297               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
6298               the program it compiles produces results whose representations are identical to
6299               those of the compiler itself.
6300    </para></listitem>
6301 </itemizedlist>
6302 </para>
6303 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
6304         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
6305         has been lifted.
6306 </para>
6307 </sect2>
6308  
6309 <sect2 id="th-example">  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
6310 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
6311   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
6312
6313 <programlisting>
6314
6315 {- Main.hs -}
6316 module Main where
6317
6318 -- Import our template "pr"
6319 import Printf ( pr )
6320
6321 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
6322 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
6323 -- the argument of "putStrLn".
6324 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
6325
6326
6327 {- Printf.hs -}
6328 module Printf where
6329
6330 -- Skeletal printf from the paper.
6331 -- It needs to be in a separate module to the one where
6332 -- you intend to use it.
6333
6334 -- Import some Template Haskell syntax
6335 import Language.Haskell.TH
6336
6337 -- Describe a format string
6338 data Format = D | S | L String
6339
6340 -- Parse a format string.  This is left largely to you
6341 -- as we are here interested in building our first ever
6342 -- Template Haskell program and not in building printf.
6343 parse :: String -> [Format]
6344 parse s   = [ L s ]
6345
6346 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
6347 -- of the format string.  This code will be spliced into
6348 -- the module which calls "pr", at compile time.
6349 gen :: [Format] -> Q Exp
6350 gen [D]   = [| \n -> show n |]
6351 gen [S]   = [| \s -> s |]
6352 gen [L s] = stringE s
6353
6354 -- Here we generate the Haskell code for the splice
6355 -- from an input format string.
6356 pr :: String -> Q Exp
6357 pr s = gen (parse s)
6358 </programlisting>
6359
6360 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
6361 </para>
6362 <programlisting>
6363 $ ghc --make -XTemplateHaskell main.hs -o main.exe
6364 </programlisting>
6365
6366 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
6367
6368 <programlisting>
6369 $ ./main
6370 Hello
6371 </programlisting>
6372
6373 </sect2>
6374
6375 <sect2>
6376 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
6377 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
6378  
6379 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
6380 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
6381 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
6382 itself is running; this means that the compiled code referred to by
6383 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
6384 in particular this means that object code that is compiled for
6385 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
6386 expression, because profiled object code is only compatible with the
6387 profiling version of the runtime.</para>
6388
6389 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
6390 containing Template Haskell code and you need to compile it for
6391 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
6392 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
6393 The basic idea is to compile the program twice:</para>
6394
6395 <orderedlist>
6396 <listitem>
6397   <para>Compile the program or library first the normal way, without
6398   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
6399 </listitem>
6400 <listitem>
6401   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
6402   additionally use <option>-osuf
6403   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
6404   to name the object files differently (you can choose any suffix
6405   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
6406   load the object files built in the first step when executing splice
6407   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
6408   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
6409   GHC will emit an error message. </para>
6410 </listitem>
6411 </orderedlist>
6412 </sect2>
6413
6414 <sect2 id="th-quasiquotation">  <title> Template Haskell Quasi-quotation </title>
6415 <para>Quasi-quotation allows patterns and expressions to be written using
6416 programmer-defined concrete syntax; the motivation behind the extension and
6417 several examples are documented in
6418 "<ulink url="http://www.eecs.harvard.edu/~mainland/ghc-quasiquoting/">Why It's
6419 Nice to be Quoted: Quasiquoting for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop
6420 2007). The example below shows how to write a quasiquoter for a simple
6421 expression language.</para>
6422 <para>
6423 Here are the salient features
6424 <itemizedlist>
6425 <listitem><para>
6426 A quasi-quote has the form
6427 <literal>[<replaceable>quoter</replaceable>| <replaceable>string</replaceable> |]</literal>.
6428 <itemizedlist>
6429 <listitem><para>
6430 The <replaceable>quoter</replaceable> must be the (unqualified) name of an imported 
6431 quoter; it cannot be an arbitrary expression.  
6432 </para></listitem>
6433 <listitem><para>
6434 The <replaceable>quoter</replaceable> cannot be "<literal>e</literal>", 
6435 "<literal>t</literal>", "<literal>d</literal>", or "<literal>p</literal>", since
6436 those overlap with Template Haskell quotations.
6437 </para></listitem>
6438 <listitem><para>
6439 There must be no spaces in the token
6440 <literal>[<replaceable>quoter</replaceable>|</literal>.
6441 </para></listitem>
6442 <listitem><para>
6443 The quoted <replaceable>string</replaceable> 
6444 can be arbitrary, and may contain newlines.
6445 </para></listitem>
6446 </itemizedlist>
6447 </para></listitem>
6448
6449 <listitem><para>
6450 A quasiquote may appear in place of
6451 <itemizedlist>
6452 <listitem><para>An expression</para></listitem>
6453 <listitem><para>A pattern</para></listitem>
6454 <listitem><para>A type</para></listitem>
6455 <listitem><para>A top-level declaration</para></listitem>
6456 </itemizedlist>
6457 (Only the first two are described in the paper.)
6458 </para></listitem>
6459
6460 <listitem><para>
6461 A quoter is a value of type <literal>Language.Haskell.TH.Quote.QuasiQuoter</literal>, 
6462 which is defined thus:
6463 <programlisting>
6464 data QuasiQuoter = QuasiQuoter { quoteExp  :: String -> Q Exp,
6465                                  quotePat  :: String -> Q Pat,
6466                                  quoteType :: String -> Q Type,
6467                                  quoteDec  :: String -> Q [Dec] }
6468 </programlisting>
6469 That is, a quoter is a tuple of four parsers, one for each of the contexts
6470 in which a quasi-quote can occur.
6471 </para></listitem>
6472 <listitem><para>
6473 A quasi-quote is expanded by applying the appropriate parser to the string
6474 enclosed by the Oxford brackets.  The context of the quasi-quote (expression, pattern,
6475 type, declaration) determines which of the parsers is called.
6476 </para></listitem>
6477 </itemizedlist>
6478 </para>
6479 <para>
6480 The example below shows quasi-quotation in action.  The quoter <literal>expr</literal>
6481 is bound to a value of type <literal>QuasiQuoter</literal> defined in module <literal>Expr</literal>.
6482 The example makes use of an antiquoted
6483 variable <literal>n</literal>, indicated by the syntax <literal>'int:n</literal>
6484 (this syntax for anti-quotation was defined by the parser's
6485 author, <emphasis>not</emphasis> by GHC). This binds <literal>n</literal> to the
6486 integer value argument of the constructor <literal>IntExpr</literal> when
6487 pattern matching. Please see the referenced paper for further details regarding
6488 anti-quotation as well as the description of a technique that uses SYB to
6489 leverage a single parser of type <literal>String -> a</literal> to generate both
6490 an expression parser that returns a value of type <literal>Q Exp</literal> and a
6491 pattern parser that returns a value of type <literal>Q Pat</literal>.
6492 </para>
6493
6494 <para>
6495 Quasiquoters must obey the same stage restrictions as Template Haskell, e.g., in
6496 the example, <literal>expr</literal> cannot be defined
6497 in <literal>Main.hs</literal> where it is used, but must be imported.
6498 </para>
6499
6500 <programlisting>
6501 {- ------------- file Main.hs --------------- -}
6502 module Main where
6503
6504 import Expr
6505
6506 main :: IO ()
6507 main = do { print $ eval [expr|1 + 2|]
6508           ; case IntExpr 1 of
6509               { [expr|'int:n|] -> print n
6510               ;  _              -> return ()
6511               }
6512           }
6513
6514
6515 {- ------------- file Expr.hs --------------- -}
6516 module Expr where
6517
6518 import qualified Language.Haskell.TH as TH
6519 import Language.Haskell.TH.Quote
6520
6521 data Expr  =  IntExpr Integer
6522            |  AntiIntExpr String
6523            |  BinopExpr BinOp Expr Expr
6524            |  AntiExpr String
6525     deriving(Show, Typeable, Data)
6526
6527 data BinOp  =  AddOp
6528             |  SubOp
6529             |  MulOp
6530             |  DivOp
6531     deriving(Show, Typeable, Data)
6532
6533 eval :: Expr -> Integer
6534 eval (IntExpr n)        = n
6535 eval (BinopExpr op x y) = (opToFun op) (eval x) (eval y)
6536   where
6537     opToFun AddOp = (+)
6538     opToFun SubOp = (-)
6539     opToFun MulOp = (*)
6540     opToFun DivOp = div
6541
6542 expr = QuasiQuoter { quoteExp = parseExprExp, quotePat =  parseExprPat }
6543
6544 -- Parse an Expr, returning its representation as
6545 -- either a Q Exp or a Q Pat. See the referenced paper
6546 -- for how to use SYB to do this by writing a single
6547 -- parser of type String -> Expr instead of two
6548 -- separate parsers.
6549
6550 parseExprExp :: String -> Q Exp
6551 parseExprExp ...
6552
6553 parseExprPat :: String -> Q Pat
6554 parseExprPat ...
6555 </programlisting>
6556
6557 <para>Now run the compiler:
6558 <programlisting>
6559 $ ghc --make -XQuasiQuotes Main.hs -o main
6560 </programlisting>
6561 </para>
6562
6563 <para>Run "main" and here is your output:
6564 <programlisting>
6565 $ ./main
6566 3
6567 1
6568 </programlisting>
6569 </para>
6570 </sect2>
6571
6572 </sect1>
6573
6574 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
6575
6576 <sect1 id="arrow-notation">
6577 <title>Arrow notation
6578 </title>
6579
6580 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
6581 For more details, see
6582 <itemizedlist>
6583
6584 <listitem>
6585 <para>
6586 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
6587 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
6588 pp67&ndash;111, May 2000.
6589 The paper that introduced arrows: a friendly introduction, motivated with
6590 programming examples.
6591 </para>
6592 </listitem>
6593
6594 <listitem>
6595 <para>
6596 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
6597 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
6598 Introduced the notation described here.
6599 </para>
6600 </listitem>
6601
6602 <listitem>
6603 <para>
6604 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
6605 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
6606 Palgrave, 2003.
6607 </para>
6608 </listitem>
6609
6610 <listitem>
6611 <para>
6612 &ldquo;<ulink url="http://www.cs.chalmers.se/~rjmh/afp-arrows.pdf">Programming with Arrows</ulink>&rdquo;,
6613 John Hughes, in <citetitle>5th International Summer School on
6614 Advanced Functional Programming</citetitle>,
6615 <citetitle>Lecture Notes in Computer Science</citetitle> vol. 3622,
6616 Springer, 2004.
6617 This paper includes another introduction to the notation,
6618 with practical examples.
6619 </para>
6620 </listitem>
6621
6622 <listitem>
6623 <para>
6624 &ldquo;<ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/papers/arrow-rules.pdf">Type and Translation Rules for Arrow Notation in GHC</ulink>&rdquo;,
6625 Ross Paterson and Simon Peyton Jones, September 16, 2004.
6626 A terse enumeration of the formal rules used
6627 (extracted from comments in the source code).
6628 </para>
6629 </listitem>
6630
6631 <listitem>
6632 <para>
6633 The arrows web page at
6634 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
6635 </para>
6636 </listitem>
6637
6638 </itemizedlist>
6639 With the <option>-XArrows</option> flag, GHC supports the arrow
6640 notation described in the second of these papers,
6641 translating it using combinators from the
6642 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6643 module.
6644 What follows is a brief introduction to the notation;
6645 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
6646 </para>
6647
6648 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
6649 <screen>
6650 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
6651        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6652 </screen>
6653 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
6654 The variables of the pattern are bound in the body of the 
6655 <literal>proc</literal>-expression,
6656 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
6657 The syntax of commands is as follows:
6658 <screen>
6659 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
6660        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
6661        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
6662 </screen>
6663 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
6664 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
6665 infix operators as for expressions, and
6666 <screen>
6667 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6668        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
6669        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
6670        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
6671        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
6672        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
6673
6674 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
6675        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
6676        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
6677
6678 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
6679        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
6680        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
6681        |  <replaceable>cmd</replaceable>
6682 </screen>
6683 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
6684 except that the bodies are commands instead of expressions.
6685 </para>
6686
6687 <para>
6688 Commands produce values, but (like monadic computations)
6689 may yield more than one value,
6690 or none, and may do other things as well.
6691 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
6692 using commands.
6693 However the values of expressions, even monadic ones,
6694 are determined by the values of the variables they contain;
6695 this is not necessarily the case for commands.
6696 </para>
6697
6698 <para>
6699 A simple example of the new notation is the expression
6700 <screen>
6701 proc x -> f -&lt; x+1
6702 </screen>
6703 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
6704 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
6705 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
6706 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
6707 It refers to the input to the arrow.
6708 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
6709 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
6710 type and an expression to be fed as input to that arrow.
6711 (The weird look will make more sense later.)
6712 It may be read as analogue of application for arrows.
6713 The above example is equivalent to the Haskell expression
6714 <screen>
6715 arr (\ x -> x+1) >>> f
6716 </screen>
6717 That would make no sense if the expression to the left of
6718 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
6719 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
6720 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
6721 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
6722 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
6723 <screen>
6724 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
6725 </screen>
6726 which is equivalent to
6727 <screen>
6728 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
6729 </screen>
6730 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
6731 class.
6732 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
6733 you may find a monadic formulation more convenient.
6734 </para>
6735
6736 <sect2>
6737 <title>do-notation for commands</title>
6738
6739 <para>
6740 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
6741 For example, you can write
6742 <screen>
6743 proc x -> do
6744         y &lt;- f -&lt; x+1
6745         g -&lt; 2*y
6746         let z = x+y
6747         t &lt;- h -&lt; x*z
6748         returnA -&lt; t+z
6749 </screen>
6750 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
6751 but with commands in place of monadic expressions.
6752 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
6753 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
6754 <literal>y</literal>.
6755 In the next line, the output is discarded.
6756 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
6757 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6758 module as <literal>arr id</literal>.
6759 The above example is treated as an abbreviation for
6760 <screen>
6761 arr (\ x -> (x, x)) >>>
6762         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
6763         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
6764         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
6765         arr snd >>>
6766         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
6767         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
6768         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
6769         returnA
6770 </screen>
6771 Note that variables not used later in the composition are projected out.
6772 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
6773 defined in the
6774 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6775 module, this reduces to
6776 <screen>
6777 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
6778         first f >>>
6779         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
6780         first g >>>
6781         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
6782         first h >>>
6783         arr (\ (t, z) -> t+z)
6784 </screen>
6785 which is what you might have written by hand.
6786 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
6787 </para>
6788
6789 <para>
6790 Note that although the above translation suggests that
6791 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
6792 monomorphic, the actual translation produces Core,
6793 so polymorphic variables are allowed.
6794 </para>
6795
6796 <para>
6797 It's also possible to have mutually recursive bindings,
6798 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
6799 <programlisting>
6800 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
6801 counter = proc reset -> do
6802         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
6803                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
6804         returnA -&lt; output
6805 </programlisting>
6806 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
6807 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
6808 </para>
6809
6810 </sect2>
6811
6812 <sect2>
6813 <title>Conditional commands</title>
6814
6815 <para>
6816 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
6817 input for an arrow.
6818 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
6819 <screen>
6820 proc (x,y) ->
6821         if f x y
6822         then g -&lt; x+1
6823         else h -&lt; y+2
6824 </screen>
6825 which is translated to
6826 <screen>
6827 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
6828         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
6829 </screen>
6830 Since the translation uses <function>|||</function>,
6831 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
6832 </para>
6833
6834 <para>
6835 There are also <literal>case</literal> commands, like
6836 <screen>
6837 case input of
6838     [] -> f -&lt; ()
6839     [x] -> g -&lt; x+1
6840     x1:x2:xs -> do
6841         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
6842         ys &lt;- k -&lt; xs
6843         returnA -&lt; y:ys
6844 </screen>
6845 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
6846 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
6847 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
6848 </para>
6849
6850 </sect2>
6851
6852 <sect2>
6853 <title>Defining your own control structures</title>
6854
6855 <para>
6856 As we're seen, arrow notation provides constructs,
6857 modelled on those for expressions,
6858 for sequencing, value recursion and conditionals.
6859 But suitable combinators,
6860 which you can define in ordinary Haskell,
6861 may also be used to build new commands out of existing ones.
6862 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
6863 These environments assign values to the free local variables of the command.
6864 Thus combinators that produce arrows from arrows
6865 may also be used to build commands from commands.
6866 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
6867 <programlisting>
6868 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
6869 </programlisting>
6870 so we can use it to build commands:
6871 <programlisting>
6872 expr' = proc x -> do
6873                 returnA -&lt; x
6874         &lt;+> do
6875                 symbol Plus -&lt; ()
6876                 y &lt;- term -&lt; ()
6877                 expr' -&lt; x + y
6878         &lt;+> do
6879                 symbol Minus -&lt; ()
6880                 y &lt;- term -&lt; ()
6881                 expr' -&lt; x - y
6882 </programlisting>
6883 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
6884 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
6885 expression on the previous line.)
6886 This is equivalent to
6887 <programlisting>
6888 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
6889         &lt;+> (proc x -> do
6890                 symbol Plus -&lt; ()
6891                 y &lt;- term -&lt; ()
6892                 expr' -&lt; x + y)
6893         &lt;+> (proc x -> do
6894                 symbol Minus -&lt; ()
6895                 y &lt;- term -&lt; ()
6896                 expr' -&lt; x - y)
6897 </programlisting>
6898 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
6899 (representing the environment input to the command
6900 and thence to its subcommands)
6901 and satisfy the corresponding naturality property
6902 <screen>
6903 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
6904 </screen>
6905 at least for strict <literal>k</literal>.
6906 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
6907 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
6908 of the whole command,
6909 and also allows the translation to safely trim these environments.
6910 The operator must also not use any variable defined within the current
6911 arrow abstraction.
6912 </para>
6913
6914 <para>
6915 We could define our own operator
6916 <programlisting>
6917 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
6918 untilA body cond = proc x ->
6919         b &lt;- cond -&lt; x
6920         if b then returnA -&lt; ()
6921         else do
6922                 body -&lt; x
6923                 untilA body cond -&lt; x
6924 </programlisting>
6925 and use it in the same way.
6926 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
6927 there is also a more general syntax involving special brackets:
6928 <screen>
6929 proc x -> do
6930         y &lt;- f -&lt; x+1
6931         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
6932 </screen>
6933 </para>
6934
6935 </sect2>
6936
6937 <sect2>
6938 <title>Primitive constructs</title>
6939
6940 <para>
6941 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
6942 For example, in an arrow type supporting exceptions,
6943 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
6944 exception that occurred to the handler.
6945 Such an operator might have a type
6946 <screen>
6947 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
6948 </screen>
6949 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
6950 You could then use this with arrow notation by writing a command
6951 <screen>
6952 body `handleA` \ ex -> handler
6953 </screen>
6954 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
6955 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
6956 and the command <literal>handler</literal>,
6957 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
6958 Though the syntax here looks like a functional lambda,
6959 we are talking about commands, and something different is going on.
6960 The input to the arrow represented by a command consists of values for
6961 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
6962 In all the prior examples, this stack was empty.
6963 In the second argument to <function>handleA</function>,
6964 this stack consists of one value, the value of the exception.
6965 The command form of lambda merely gives this value a name.
6966 </para>
6967
6968 <para>
6969 More concretely,
6970 the values on the stack are paired to the right of the environment.
6971 So operators like <function>handleA</function> that pass
6972 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
6973 by pairing the values with the environment in this way.
6974 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
6975 should have the form
6976 <screen>
6977 a (...(e,t1), ... tn) t
6978 </screen>
6979 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
6980 (representing the environment)
6981 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
6982 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
6983 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
6984 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
6985 <replaceable>t</replaceable>.
6986 However the arrows involved need not be the same.
6987 Here are some more examples of suitable operators:
6988 <screen>
6989 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
6990 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
6991 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
6992 </screen>
6993 We can supply the extra input required by commands built with the last two
6994 by applying them to ordinary expressions, as in
6995 <screen>
6996 proc x -> do
6997         s &lt;- ...
6998         (|runReader (do { ... })|) s
6999 </screen>
7000 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
7001 built using <function>runReader</function>.
7002 </para>
7003
7004 <para>
7005 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
7006 the expression versions.
7007 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
7008 These three features (operators, lambda abstraction and application)
7009 are the core of the notation; everything else can be built using them,
7010 though the results would be somewhat clumsy.
7011 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
7012 <programlisting>
7013 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
7014 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
7015
7016 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
7017 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
7018 </programlisting>
7019 We could simulate <literal>if</literal> by defining
7020 <programlisting>
7021 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
7022 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
7023 </programlisting>
7024 </para>
7025
7026 </sect2>
7027
7028 <sect2>
7029 <title>Differences with the paper</title>
7030
7031 <itemizedlist>
7032
7033 <listitem>
7034 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
7035 translations, the implementation provides two forms
7036 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
7037 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
7038 </para>
7039 </listitem>
7040
7041 <listitem>
7042 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
7043 a new <literal>form</literal> keyword.
7044 </para>
7045 </listitem>
7046
7047 </itemizedlist>
7048
7049 </sect2>
7050
7051 <sect2>
7052 <title>Portability</title>
7053
7054 <para>
7055 Although only GHC implements arrow notation directly,
7056 there is also a preprocessor
7057 (available from the 
7058 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
7059 that translates arrow notation into Haskell 98
7060 for use with other Haskell systems.
7061 You would still want to check arrow programs with GHC;
7062 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
7063 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
7064 additional restrictions:
7065 <itemizedlist>
7066
7067 <listitem>
7068 <para>
7069 The module must import
7070 <ulink url="&libraryBaseLocation;/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
7071 </para>
7072 </listitem>
7073
7074 <listitem>
7075 <para>
7076 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
7077 These would have to go in separate modules.
7078 </para>
7079 </listitem>
7080
7081 <listitem>
7082 <para>
7083 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
7084 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
7085 </para>
7086 </listitem>
7087
7088 </itemizedlist>
7089 </para>
7090
7091 </sect2>
7092
7093 </sect1>
7094
7095 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
7096
7097 <sect1 id="bang-patterns">
7098 <title>Bang patterns
7099 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
7100 </title>
7101 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
7102 patterns</emphasis>, written <literal>!<replaceable>pat</replaceable></literal>.   
7103 Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
7104 The <ulink
7105 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
7106 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
7107 than the material below.
7108 </para>
7109 <para>
7110 The key change is the addition of a new rule to the 
7111 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">semantics of pattern matching in the Haskell 98 report</ulink>.
7112 Add new bullet 10, saying: Matching the pattern <literal>!</literal><replaceable>pat</replaceable> 
7113 against a value <replaceable>v</replaceable> behaves as follows:
7114 <itemizedlist>
7115 <listitem><para>if <replaceable>v</replaceable> is bottom, the match diverges</para></listitem>
7116 <listitem><para>otherwise, <replaceable>pat</replaceable> is matched against <replaceable>v</replaceable>  </para></listitem>
7117 </itemizedlist>
7118 </para>
7119 <para>
7120 Bang patterns are enabled by the flag <option>-XBangPatterns</option>.
7121 </para>
7122
7123 <sect2 id="bang-patterns-informal">
7124 <title>Informal description of bang patterns
7125 </title>
7126 <para>
7127 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
7128 <programlisting>
7129   pat ::= !pat
7130 </programlisting>
7131 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
7132 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
7133 Example:
7134 <programlisting>
7135 f1 !x = True
7136 </programlisting>
7137 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
7138 whereas without the bang it would be lazy.
7139 Bang patterns can be nested of course:
7140 <programlisting>
7141 f2 (!x, y) = [x,y]
7142 </programlisting>
7143 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
7144 <literal>y</literal>.  
7145 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
7146 <programlisting>
7147 f3 !(x,y) = [x,y]
7148 f4 (x,y)  = [x,y]
7149 </programlisting>
7150 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; 
7151 putting a bang before a pattern that
7152 forces evaluation anyway does nothing.
7153 </para>
7154 <para>
7155 There is one (apparent) exception to this general rule that a bang only
7156 makes a difference when it precedes a variable or wild-card: a bang at the
7157 top level of a <literal>let</literal> or <literal>where</literal>
7158 binding makes the binding strict, regardless of the pattern.
7159 (We say "apparent" exception because the Right Way to think of it is that the bang
7160 at the top of a binding is not part of the <emphasis>pattern</emphasis>; rather it
7161 is part of the syntax of the <emphasis>binding</emphasis>,
7162 creating a "bang-pattern binding".)
7163 For example:
7164 <programlisting>
7165 let ![x,y] = e in b
7166 </programlisting>
7167 is a bang-pattern binding. Operationally, it behaves just like a case expression:
7168 <programlisting>
7169 case e of [x,y] -> b
7170 </programlisting>
7171 Like a case expression, a bang-pattern binding must be non-recursive, and
7172 is monomorphic.
7173
7174 However, <emphasis>nested</emphasis> bangs in a pattern binding behave uniformly with all other forms of
7175 pattern matching.  For example
7176 <programlisting>
7177 let (!x,[y]) = e in b
7178 </programlisting>
7179 is equivalent to this:
7180 <programlisting>
7181 let { t = case e of (x,[y]) -> x `seq` (x,y)
7182       x = fst t
7183       y = snd t }
7184 in b
7185 </programlisting>
7186 The binding is lazy, but when either <literal>x</literal> or <literal>y</literal> is
7187 evaluated by <literal>b</literal> the entire pattern is matched, including forcing the
7188 evaluation of <literal>x</literal>.
7189 </para>
7190 <para>
7191 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
7192 <programlisting>
7193 g5 x = let y = f x in body
7194 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
7195 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
7196 </programlisting>
7197 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
7198 But <literal>g7</literal> evaluates <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
7199 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
7200 </para>
7201 </sect2>
7202
7203
7204 <sect2 id="bang-patterns-sem">
7205 <title>Syntax and semantics
7206 </title>
7207 <para>
7208
7209 We add a single new production to the syntax of patterns:
7210 <programlisting>
7211   pat ::= !pat
7212 </programlisting>
7213 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
7214 <programlisting>
7215 f !x = 3
7216 </programlisting>
7217 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
7218 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
7219 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
7220 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
7221 prefix notation:
7222 <programlisting>
7223 (!) f x = 3
7224 </programlisting>
7225 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
7226 url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
7227 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
7228 one extra item 10, saying:
7229 <itemizedlist><listitem><para>Matching
7230 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
7231 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
7232                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
7233                 <literal>v</literal></para></listitem>
7234 </itemizedlist>
7235 </para></listitem></itemizedlist>
7236 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
7237 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
7238 <programlisting>
7239 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
7240    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
7241 </programlisting>
7242 </para><para>
7243 That leaves let expressions, whose translation is given in 
7244 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
7245 3.12</ulink>
7246 of the Haskell Report.
7247 In the translation box, first apply 
7248 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
7249 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
7250 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
7251 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
7252 </para>
7253 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
7254 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
7255 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
7256 thus:
7257 <programlisting>
7258   let !y = f x in b
7259 </programlisting>
7260
7261 </para>
7262 <para>
7263 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
7264 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
7265 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
7266      is equivalent to
7267 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
7268 </para>
7269 <para>
7270 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
7271 a module.
7272 </para>
7273 </sect2>
7274 </sect1>
7275
7276 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
7277
7278 <sect1 id="assertions">
7279 <title>Assertions
7280 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
7281 </title>
7282
7283 <para>
7284 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
7285 could define a function like the following:
7286 </para>
7287
7288 <para>
7289
7290 <programlisting>
7291 assert :: Bool -> a -> a
7292 assert False x = error "assertion failed!"
7293 assert _     x = x
7294 </programlisting>
7295
7296 </para>
7297
7298 <para>
7299 which works, but gives you back a less than useful error message --
7300 an assertion failed, but which and where?
7301 </para>
7302
7303 <para>
7304 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
7305 takes a descriptive string to include in the error message and
7306 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
7307 the source location where <function>assert</function> was used.
7308 </para>
7309
7310 <para>
7311 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
7312 use of <function>assert</function> in the user's source:
7313 </para>
7314
7315 <para>
7316
7317 <programlisting>
7318 kelvinToC :: Double -> Double
7319 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
7320 </programlisting>
7321
7322 </para>
7323
7324 <para>
7325 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
7326 assertion was made,
7327 </para>
7328
7329 <para>
7330
7331 <programlisting>
7332 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
7333 </programlisting>
7334
7335 </para>
7336
7337 <para>
7338 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
7339 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
7340 can still define and use your own versions of
7341 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
7342 <literal>Control.Exception</literal> to make use
7343 <function>assert</function> in your code.
7344 </para>
7345
7346 <para>
7347 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
7348       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
7349 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
7350 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
7351       <option>-fignore-asserts</option>
7352       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
7353       </indexterm>.</para>
7354
7355 <para>
7356 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
7357 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
7358 </para>
7359
7360 </sect1>
7361
7362
7363 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
7364
7365   <sect1 id="pragmas">
7366     <title>Pragmas</title>
7367
7368     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
7369
7370     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
7371     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
7372     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
7373     of the generated code.</para>
7374
7375     <para>Pragmas all take the form
7376
7377 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
7378
7379     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
7380     pragma, and is followed optionally by information specific to that
7381     type of pragma.  Case is ignored in
7382     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
7383     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
7384     in the following sections; any pragma encountered with an
7385     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is
7386     ignored. The layout rule applies in pragmas, so the closing <literal>#-}</literal>
7387     should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>. </para> 
7388
7389     <para>Certain pragmas are <emphasis>file-header pragmas</emphasis>:
7390       <itemizedlist>
7391       <listitem><para>
7392           A file-header
7393           pragma must precede the <literal>module</literal> keyword in the file.
7394           </para></listitem>
7395       <listitem><para>
7396       There can be as many file-header pragmas as you please, and they can be
7397       preceded or followed by comments.  
7398           </para></listitem>
7399       <listitem><para>
7400       File-header pragmas are read once only, before
7401       pre-processing the file (e.g. with cpp).
7402           </para></listitem>
7403       <listitem><para>
7404          The file-header pragmas are: <literal>{-# LANGUAGE #-}</literal>,
7405         <literal>{-# OPTIONS_GHC #-}</literal>, and
7406         <literal>{-# INCLUDE #-}</literal>.
7407           </para></listitem>
7408       </itemizedlist>
7409       </para>
7410
7411     <sect2 id="language-pragma">
7412       <title>LANGUAGE pragma</title>
7413
7414       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7415       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
7416
7417       <para>The <literal>LANGUAGE</literal> pragma allows language extensions to be enabled 
7418         in a portable way.
7419         It is the intention that all Haskell compilers support the
7420         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
7421         all extensions are supported by all compilers, of
7422         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
7423         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
7424
7425       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
7426
7427 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
7428
7429         <para><literal>LANGUAGE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7430
7431       <para>Every language extension can also be turned into a command-line flag
7432         by prefixing it with "<literal>-X</literal>"; for example <option>-XForeignFunctionInterface</option>.
7433         (Similarly, all "<literal>-X</literal>" flags can be written as <literal>LANGUAGE</literal> pragmas.
7434       </para>
7435
7436       <para>A list of all supported language extensions can be obtained by invoking
7437         <literal>ghc --supported-extensions</literal> (see <xref linkend="modes"/>).</para>
7438
7439       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
7440         <ulink
7441           url="&libraryCabalLocation;/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink>
7442         may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
7443     </sect2>
7444
7445
7446     <sect2 id="options-pragma">
7447       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
7448       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
7449       </indexterm>
7450       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
7451       </indexterm>
7452
7453       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
7454       additional options that are given to the compiler when compiling
7455       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
7456       details.</para>
7457
7458       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
7459         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
7460     </sect2>
7461
7462         <para><literal>OPTIONS_GHC</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7463
7464     <sect2 id="include-pragma">
7465       <title>INCLUDE pragma</title>
7466
7467       <para>The <literal>INCLUDE</literal> used to be necessary for
7468         specifying header files to be included when using the FFI and
7469         compiling via C.  It is no longer required for GHC, but is
7470         accepted (and ignored) for compatibility with other
7471         compilers.</para>
7472     </sect2>
7473
7474     <sect2 id="warning-deprecated-pragma">
7475       <title>WARNING and DEPRECATED pragmas</title>
7476       <indexterm><primary>WARNING</primary></indexterm>
7477       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary></indexterm>
7478
7479       <para>The WARNING pragma allows you to attach an arbitrary warning
7480       to a particular function, class, or type.
7481       A DEPRECATED pragma lets you specify that
7482       a particular function, class, or type is deprecated.
7483       There are two ways of using these pragmas.
7484
7485       <itemizedlist>
7486         <listitem>
7487           <para>You can work on an entire module thus:</para>
7488 <programlisting>
7489    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
7490      ...
7491 </programlisting>
7492       <para>Or:</para>
7493 <programlisting>
7494    module Wibble {-# WARNING "This is an unstable interface." #-} where
7495      ...
7496 </programlisting>
7497           <para>When you compile any module that import
7498           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
7499           message.</para>
7500         </listitem>
7501
7502         <listitem>
7503           <para>You can attach a warning to a function, class, type, or data constructor, with the
7504           following top-level declarations:</para>
7505 <programlisting>
7506    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
7507    {-# WARNING unsafePerformIO "This is unsafe; I hope you know what you're doing" #-}
7508 </programlisting>
7509           <para>When you compile any module that imports and uses any
7510           of the specified entities, GHC will print the specified
7511           message.</para>
7512           <para> You can only attach to entities declared at top level in the module
7513           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
7514           entities. A capitalised name, such as <literal>T</literal>
7515           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
7516           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
7517           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to
7518       specify one without the other (c.f. fixities
7519       <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
7520         </listitem>
7521       </itemizedlist>
7522       Warnings and deprecations are not reported for
7523       (a) uses within the defining module, and
7524       (b) uses in an export list.
7525       The latter reduces spurious complaints within a library
7526       in which one module gathers together and re-exports 
7527       the exports of several others.
7528       </para>
7529       <para>You can suppress the warnings with the flag
7530       <option>-fno-warn-warnings-deprecations</option>.</para>
7531     </sect2>
7532
7533     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
7534       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
7535
7536       <para>These pragmas control the inlining of function
7537       definitions.</para>
7538
7539       <sect3 id="inline-pragma">
7540         <title>INLINE pragma</title>
7541         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
7542
7543         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
7544         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
7545         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
7546         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
7547         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
7548         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
7549         export that unfolding for other modules to use.</para>
7550
7551         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
7552         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
7553         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
7554
7555 <programlisting>
7556 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
7557 {-# INLINE key_function #-}
7558 </programlisting>
7559
7560         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
7561         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
7562         The normal unfolding machinery will then be very keen to
7563         inline it.  However, an <literal>INLINE</literal> pragma for a 
7564         function "<literal>f</literal>" has a number of other effects:
7565 <itemizedlist>
7566 <listitem><para>
7567 While GHC is keen to inline the function, it does not do so
7568 blindly.  For example, if you write
7569 <programlisting>
7570 map key_function xs
7571 </programlisting>
7572 there really isn't any point in inlining <literal>key_function</literal> to get
7573 <programlisting>
7574 map (\x -> <replaceable>body</replaceable>) xs
7575 </programlisting>
7576 In general, GHC only inlines the function if there is some reason (no matter
7577 how slight) to supose that it is useful to do so.
7578 </para></listitem>
7579
7580 <listitem><para>
7581 Moreover, GHC will only inline the function if it is <emphasis>fully applied</emphasis>, 
7582 where "fully applied"
7583 means applied to as many arguments as appear (syntactically) 
7584 on the LHS of the function
7585 definition.  For example:
7586 <programlisting>
7587 comp1 :: (b -> c) -> (a -> b) -> a -> c
7588 {-# INLINE comp1 #-}
7589 comp1 f g = \x -> f (g x)
7590
7591 comp2 :: (b -> c) -> (a -> b) -> a -> c
7592 {-# INLINE comp2 #-}
7593 comp2 f g x = f (g x)
7594 </programlisting>
7595 The two functions <literal>comp1</literal> and <literal>comp2</literal> have the 
7596 same semantics, but <literal>comp1</literal> will be inlined when applied
7597 to <emphasis>two</emphasis> arguments, while <literal>comp2</literal> requires
7598 <emphasis>three</emphasis>.  This might make a big difference if you say
7599 <programlisting>
7600 map (not `comp1` not) xs
7601 </programlisting>
7602 which will optimise better than the corresponding use of `comp2`.
7603 </para></listitem>
7604
7605 <listitem><para> 
7606 It is useful for GHC to optimise the definition of an
7607 INLINE function <literal>f</literal> just like any other non-INLINE function, 
7608 in case the non-inlined version of <literal>f</literal> is
7609 ultimately called.  But we don't want to inline 
7610 the <emphasis>optimised</emphasis> version
7611 of <literal>f</literal>;
7612 a major reason for INLINE pragmas is to expose functions 
7613 in <literal>f</literal>'s RHS that have
7614 rewrite rules, and it's no good if those functions have been optimised
7615 away.
7616 </para>
7617 <para>
7618 So <emphasis>GHC guarantees to inline precisely the code that you wrote</emphasis>, no more
7619 and no less.  It does this by capturing a copy of the definition of the function to use
7620 for inlining (we call this the "inline-RHS"), which it leaves untouched,
7621 while optimising the ordinarly RHS as usual.  For externally-visible functions
7622 the inline-RHS (not the optimised RHS) is recorded in the interface file.
7623 </para></listitem>
7624 <listitem><para>
7625 An INLINE function is not worker/wrappered by strictness analysis.
7626 It's going to be inlined wholesale instead.
7627 </para></listitem>
7628 </itemizedlist>
7629 </para>
7630 <para>GHC ensures that inlining cannot go on forever: every mutually-recursive
7631 group is cut by one or more <emphasis>loop breakers</emphasis> that is never inlined
7632 (see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/Papers/inlining/index.htm">
7633 Secrets of the GHC inliner, JFP 12(4) July 2002</ulink>).
7634 GHC tries not to select a function with an INLINE pragma as a loop breaker, but
7635 when there is no choice even an INLINE function can be selected, in which case
7636 the INLINE pragma is ignored.
7637 For example, for a self-recursive function, the loop breaker can only be the function
7638 itself, so an INLINE pragma is always ignored.</para>
7639
7640         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
7641         function can be put anywhere its type signature could be
7642         put.</para>
7643
7644         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
7645         good idea for the
7646         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
7647         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
7648         a monad.  For example, in GHC's own
7649         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
7650
7651 <programlisting>
7652 {-# INLINE thenUs #-}
7653 {-# INLINE returnUs #-}
7654 </programlisting>
7655
7656         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> (<xref linkend="inlinable-pragma"/>) 
7657         and <literal>INLINABLE</literal> (<xref linkend="noinline-pragma"/>) 
7658         pragmas.</para>
7659
7660         <para>Note: the HBC compiler doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas,
7661           so if you want your code to be HBC-compatible you'll have to surround
7662           the pragma with C pre-processor directives 
7663           <literal>#ifdef __GLASGOW_HASKELL__</literal>...<literal>#endif</literal>.</para>
7664
7665       </sect3>
7666
7667       <sect3 id="inlinable-pragma">
7668         <title>INLINABLE pragma</title>
7669
7670 <para>An <literal>{-# INLINABLE f #-}</literal> pragma on a
7671 function <literal>f</literal> has the following behaviour:
7672 <itemizedlist>
7673 <listitem><para>
7674 While <literal>INLINE</literal> says "please inline me", the <literal>INLINABLE</literal>
7675 says "feel free to inline me; use your
7676 discretion".  In other words the choice is left to GHC, which uses the same
7677 rules as for pragma-free functions.  Unlike <literal>INLINE</literal>, that decision is made at
7678 the <emphasis>call site</emphasis>, and
7679 will therefore be affected by the inlining threshold, optimisation level etc.
7680 </para></listitem>
7681 <listitem><para>
7682 Like <literal>INLINE</literal>, the <literal>INLINABLE</literal> pragma retains a
7683 copy of the original RHS for
7684 inlining purposes, and persists it in the interface file, regardless of
7685 the size of the RHS.
7686 </para></listitem>
7687
7688 <listitem><para>
7689 One way to use <literal>INLINABLE</literal> is in conjunction with
7690 the special function <literal>inline</literal> (<xref linkend="special-ids"/>).
7691 The call <literal>inline f</literal> tries very hard to inline <literal>f</literal>.
7692 To make sure that <literal>f</literal> can be inlined,
7693 it is a good idea to mark the definition
7694 of <literal>f</literal> as <literal>INLINABLE</literal>,
7695 so that GHC guarantees to expose an unfolding regardless of how big it is.
7696 Moreover, by annotating <literal>f</literal> as <literal>INLINABLE</literal>,
7697 you ensure that <literal>f</literal>'s original RHS is inlined, rather than
7698 whatever random optimised version of <literal>f</literal> GHC's optimiser
7699 has produced.
7700 </para></listitem>
7701
7702 <listitem><para>
7703 The <literal>INLINABLE</literal> pragma also works with <literal>SPECIALISE</literal>:
7704 if you mark function <literal>f</literal> as <literal>INLINABLE</literal>, then
7705 you can subsequently <literal>SPECIALISE</literal> in another module
7706 (see <xref linkend="specialize-pragma"/>).</para></listitem>
7707
7708 <listitem><para>
7709 Unlike <literal>INLINE</literal>, it is OK to use
7710 an <literal>INLINABLE</literal> pragma on a recursive function.
7711 The principal reason do to so to allow later use of <literal>SPECIALISE</literal>
7712 </para></listitem>
7713 </itemizedlist>
7714 </para>
7715
7716       </sect3>
7717
7718       <sect3 id="noinline-pragma">
7719         <title>NOINLINE pragma</title>
7720         
7721         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
7722         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
7723
7724         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
7725         you'd expect: it stops the named function from being inlined
7726         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
7727         you're very cautious about code size.</para>
7728
7729         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
7730         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
7731         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
7732         inlining, so it should be used if you want your code to be
7733         portable).</para>
7734       </sect3>
7735
7736       <sect3 id="conlike-pragma">
7737         <title>CONLIKE modifier</title>
7738         <indexterm><primary>CONLIKE</primary></indexterm>
7739         <para>An INLINE or NOINLINE pragma may have a CONLIKE modifier, 
7740         which affects matching in RULEs (only).  See <xref linkend="conlike"/>.
7741         </para>
7742       </sect3>
7743
7744       <sect3 id="phase-control">
7745         <title>Phase control</title>
7746
7747         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
7748         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
7749         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
7750         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
7751         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
7752         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
7753         sequence of phase numbers for successive runs of the
7754         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
7755         phase number, thus:
7756         <itemizedlist>
7757           <listitem>
7758             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7759             <literal>f</literal>
7760               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7761               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
7762             </para></listitem>
7763           <listitem>
7764             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
7765             <literal>f</literal>
7766               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7767               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7768             </para></listitem>
7769           <listitem>
7770             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7771             <literal>f</literal>
7772               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7773               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
7774               there was no pragma).
7775             </para></listitem>
7776             <listitem>
7777             <para>"<literal>NOINLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
7778             <literal>f</literal>
7779               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7780               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7781             </para></listitem>
7782         </itemizedlist>
7783 The same information is summarised here:
7784 <programlisting>
7785                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
7786   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
7787   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
7788   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
7789   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
7790
7791   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
7792   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
7793 </programlisting>
7794 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
7795 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
7796 Another way to understand the semantics is this:
7797 <itemizedlist>
7798 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
7799 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
7800 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
7801 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
7802 happen.
7803 </para></listitem>
7804 </itemizedlist>
7805 </para>
7806 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
7807         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
7808       </sect3>
7809     </sect2>
7810
7811     <sect2 id="annotation-pragmas">
7812       <title>ANN pragmas</title>
7813       
7814       <para>GHC offers the ability to annotate various code constructs with additional
7815       data by using three pragmas.  This data can then be inspected at a later date by
7816       using GHC-as-a-library.</para>
7817             
7818       <sect3 id="ann-pragma">
7819         <title>Annotating values</title>
7820         
7821         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7822         
7823         <para>Any expression that has both <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances may be attached to a top-level value
7824         binding using an <literal>ANN</literal> pragma. In particular, this means you can use <literal>ANN</literal>
7825         to annotate data constructors (e.g. <literal>Just</literal>) as well as normal values (e.g. <literal>take</literal>).
7826         By way of example, to annotate the function <literal>foo</literal> with the annotation <literal>Just "Hello"</literal>
7827         you would do this:</para>
7828         
7829 <programlisting>
7830 {-# ANN foo (Just "Hello") #-}
7831 foo = ...
7832 </programlisting>
7833         
7834         <para>
7835           A number of restrictions apply to use of annotations:
7836           <itemizedlist>
7837             <listitem><para>The binder being annotated must be at the top level (i.e. no nested binders)</para></listitem>
7838             <listitem><para>The binder being annotated must be declared in the current module</para></listitem>
7839             <listitem><para>The expression you are annotating with must have a type with <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances</para></listitem>
7840             <listitem><para>The <ulink linkend="using-template-haskell">Template Haskell staging restrictions</ulink> apply to the
7841             expression being annotated with, so for example you cannot run a function from the module being compiled.</para>
7842             
7843             <para>To be precise, the annotation <literal>{-# ANN x e #-}</literal> is well staged if and only if <literal>$(e)</literal> would be 
7844             (disregarding the usual type restrictions of the splice syntax, and the usual restriction on splicing inside a splice - <literal>$([|1|])</literal> is fine as an annotation, albeit redundant).</para></listitem>
7845           </itemizedlist>
7846           
7847           If you feel strongly that any of these restrictions are too onerous, <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/MailingListsAndIRC">
7848           please give the GHC team a shout</ulink>.
7849         </para>
7850         
7851         <para>However, apart from these restrictions, many things are allowed, including expressions which are not fully evaluated!
7852         Annotation expressions will be evaluated by the compiler just like Template Haskell splices are. So, this annotation is fine:</para>
7853         
7854 <programlisting>
7855 {-# ANN f SillyAnnotation { foo = (id 10) + $([| 20 |]), bar = 'f } #-}
7856 f = ...
7857 </programlisting>
7858       </sect3>
7859       
7860       <sect3 id="typeann-pragma">
7861         <title>Annotating types</title>
7862         
7863         <indexterm><primary>ANN type</primary></indexterm>
7864         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7865         
7866         <para>You can annotate types with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>type</literal> keyword. For example:</para>
7867         
7868 <programlisting>
7869 {-# ANN type Foo (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7870 data Foo = ...
7871 </programlisting>
7872       </sect3>
7873       
7874       <sect3 id="modann-pragma">
7875         <title>Annotating modules</title>
7876         
7877         <indexterm><primary>ANN module</primary></indexterm>
7878         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7879         
7880         <para>You can annotate modules with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>module</literal> keyword. For example:</para>
7881         
7882 <programlisting>
7883 {-# ANN module (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7884 </programlisting>
7885       </sect3>
7886     </sect2>
7887
7888     <sect2 id="line-pragma">
7889       <title>LINE pragma</title>
7890
7891       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7892       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
7893       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
7894       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
7895       code.  It lets you specify the line number and filename of the
7896       original code; for example</para>
7897
7898 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
7899
7900       <para>if you'd generated the current file from something called
7901       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
7902       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
7903       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
7904       pragma.</para>
7905     </sect2>
7906
7907     <sect2 id="rules">
7908       <title>RULES pragma</title>
7909
7910       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
7911       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
7912     </sect2>
7913
7914     <sect2 id="specialize-pragma">
7915       <title>SPECIALIZE pragma</title>
7916
7917       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7918       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
7919       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7920
7921       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
7922       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
7923       specialised to particular types.  Thus, if you have an
7924       overloaded function:</para>
7925
7926 <programlisting>
7927   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
7928 </programlisting>
7929
7930       <para>If it is heavily used on lists with
7931       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
7932       follows:</para>
7933
7934 <programlisting>
7935   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
7936 </programlisting>
7937
7938       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
7939       be put anywhere its type signature could be put.</para>
7940
7941       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
7942       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
7943       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
7944       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
7945
7946       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
7947         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
7948         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
7949 <programlisting>
7950   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
7951 </programlisting>
7952       is valid if and only if the definition
7953 <programlisting>
7954   f_spec :: &lt;type&gt;
7955   f_spec = f
7956 </programlisting>
7957       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
7958       for the original function, not its code):
7959 <programlisting>
7960   f :: Eq a => a -> b -> b
7961   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
7962
7963   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
7964   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
7965
7966   h :: Eq a => a -> a -> a
7967   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
7968 </programlisting>
7969 The last of these examples will generate a 
7970 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
7971 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
7972 </para>
7973
7974     <sect3 id="specialize-inline">
7975       <title>SPECIALIZE INLINE</title>
7976
7977 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
7978 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
7979 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
7980 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised version of the
7981 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
7982 example is this:
7983 <programlisting>
7984 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
7985 data Arr e where
7986   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
7987   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
7988
7989 (!:) :: Arr e -> Int -> e
7990 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
7991 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
7992 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
7993 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
7994 </programlisting>
7995 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
7996 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
7997 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
7998 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
7999 <literal>(!:)</literal>,
8000 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
8001 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
8002 unrolling of the indexing function.</para>
8003 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
8004 on an ordinarily-recursive function.</para>
8005 </sect3>
8006
8007 <sect3><title>SPECIALIZE for imported functions</title>
8008
8009 <para>
8010 Generally, you can only give a <literal>SPECIALIZE</literal> pragma
8011 for a function defined in the same module.
8012 However if a function <literal>f</literal> is given an <literal>INLINABLE</literal>
8013 pragma at its definition site, then it can subequently be specialised by
8014 importing modules (see <xref linkend="inlinable-pragma"/>).
8015 For example
8016 <programlisting>
8017 module Map( lookup, blah blah ) where
8018   lookup :: Ord key => [(key,a)] -> key -> Maybe a
8019   lookup = ...
8020   {-# INLINABLE lookup #-}
8021
8022 module Client where
8023   import Map( lookup )
8024
8025   data T = T1 | T2 deriving( Eq, Ord )
8026   {-# SPECIALISE lookup :: [(T,a)] -> T -> Maybe a
8027 </programlisting>
8028 Here, <literal>lookup</literal> is declared <literal>INLINABLE</literal>, but
8029 it cannot be specialised for type <literal>T</literal> at its definition site,
8030 because that type does not exist yet.  Instead a client module can define <literal>T</literal>
8031 and then specialise <literal>lookup</literal> at that type.
8032 </para>
8033 <para>
8034 Moreover, every module that imports <literal>Client</literal> (or imports a module
8035 that imports <literal>Client</literal>, transitively) will "see", and make use of,
8036 the specialised version of <literal>lookup</literal>.  You don't need to put
8037 a <literal>SPECIALIZE</literal> pragma in every module.
8038 </para>
8039 <para>
8040 Moreover you often don't even need the <literal>SPECIALIZE</literal> pragma in the
8041 first place. When compiling a module M,
8042 GHC's optimiser (with -O) automatically considers each top-level
8043 overloaded function declared in M, and specialises it
8044 for the different types at which it is called in M.  The optimiser
8045 <emphasis>also</emphasis> considers each <emphasis>imported</emphasis>
8046 <literal>INLINABLE</literal> overloaded function, and specialises it
8047 for the different types at which it is called in M.
8048 So in our example, it would be enough for <literal>lookup</literal> to
8049 be called at type <literal>T</literal>:
8050 <programlisting>
8051 module Client where
8052   import Map( lookup )
8053
8054   data T = T1 | T2 deriving( Eq, Ord )
8055
8056   findT1 :: [(T,a)] -> Maybe a
8057   findT1 m = lookup m T1   -- A call of lookup at type T
8058 </programlisting>
8059 However, sometimes there are no such calls, in which case the
8060 pragma can be useful.
8061 </para>
8062 </sect3>
8063
8064 <sect3><title>Obselete SPECIALIZE syntax</title>
8065
8066       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
8067       specialised function for a given type:
8068
8069 <programlisting>
8070 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
8071 </programlisting>
8072
8073       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
8074       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
8075 </sect3>
8076
8077     </sect2>
8078
8079 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
8080 <title>SPECIALIZE instance pragma
8081 </title>
8082
8083 <para>
8084 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
8085 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
8086 Same idea, except for instance declarations.  For example:
8087
8088 <programlisting>
8089 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
8090    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
8091    ... usual stuff ...
8092  }
8093 </programlisting>
8094 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
8095 of the instance declaration.
8096 </para>
8097 <para>
8098 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
8099 of the pragma.
8100 </para>
8101
8102 </sect2>
8103
8104     <sect2 id="unpack-pragma">
8105       <title>UNPACK pragma</title>
8106
8107       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
8108       
8109       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
8110       that it should unpack the contents of a constructor field into
8111       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
8112       example:</para>
8113
8114 <programlisting>
8115 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
8116            {-# UNPACK #-} !Float
8117 </programlisting>
8118
8119       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
8120       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
8121       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
8122       floats passed to a non-strict function for example, they will
8123       have to be reboxed (this is done automatically by the
8124       compiler).</para>
8125
8126       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
8127       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
8128       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
8129       often as possible.  For example:</para>
8130
8131 <programlisting>
8132 f :: T -&#62; Float
8133 f (T f1 f2) = f1 + f2
8134 </programlisting>
8135
8136       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
8137       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
8138       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
8139
8140       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
8141       example</para>
8142
8143 <programlisting>
8144 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
8145 </programlisting>
8146
8147       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
8148       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
8149       Multi-level unpacking is also supported:
8150
8151 <programlisting>
8152 data T = T {-# UNPACK #-} !S
8153 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
8154 </programlisting>
8155
8156       will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
8157       directly in the <function>T</function> constructor.  The
8158       unpacker can see through newtypes, too.</para>
8159
8160       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
8161       which essentially has the effect of adding
8162       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
8163       constructor field.</para>
8164     </sect2>
8165
8166     <sect2 id="source-pragma">
8167       <title>SOURCE pragma</title>
8168
8169       <indexterm><primary>SOURCE</primary></indexterm>
8170      <para>The <literal>{-# SOURCE #-}</literal> pragma is used only in <literal>import</literal> declarations,
8171      to break a module loop.  It is described in detail in <xref linkend="mutual-recursion"/>.
8172      </para>
8173 </sect2>
8174
8175 </sect1>
8176
8177 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
8178
8179 <sect1 id="rewrite-rules">
8180 <title>Rewrite rules
8181
8182 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
8183 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
8184 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
8185
8186 <para>
8187 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
8188 (in a pragma).  
8189 Here is an example:
8190
8191 <programlisting>
8192   {-# RULES
8193   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
8194     #-}
8195 </programlisting>
8196 </para>
8197 <para>
8198 Use the debug flag <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules fired.
8199 If you need more information, then <option>-ddump-rule-firings</option> shows you
8200 each individual rule firing and <option>-ddump-rule-rewrites</option> also shows what the code looks like before and after the rewrite.
8201 </para>
8202
8203 <sect2>
8204 <title>Syntax</title>
8205
8206 <para>
8207 From a syntactic point of view:
8208
8209 <itemizedlist>
8210
8211 <listitem>
8212 <para>
8213  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma, separated by semicolons (which
8214  may be generated by the layout rule).
8215 </para>
8216 </listitem>
8217
8218 <listitem>
8219 <para>
8220 The layout rule applies in a pragma.
8221 Currently no new indentation level
8222 is set, so if you put several rules in single RULES pragma and wish to use layout to separate them,
8223 you must lay out the starting in the same column as the enclosing definitions.
8224 <programlisting>
8225   {-# RULES
8226   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
8227   "map/append" forall f xs ys. map f (xs ++ ys) = map f xs ++ map f ys
8228     #-}
8229 </programlisting>
8230 Furthermore, the closing <literal>#-}</literal>
8231 should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>.
8232 </para>
8233 </listitem>
8234
8235 <listitem>
8236 <para>
8237  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
8238 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
8239 </para>
8240 </listitem>
8241
8242 <listitem>
8243 <para>
8244 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
8245 immediately after the name of the rule.  Thus:
8246 <programlisting>
8247   {-# RULES
8248         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
8249     #-}
8250 </programlisting>
8251 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
8252 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
8253 Phase 2.
8254 </para>
8255 </listitem>
8256
8257
8258
8259 <listitem>
8260 <para>
8261  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
8262 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
8263 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
8264 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
8265 </para>
8266 </listitem>
8267 <listitem>
8268
8269 <para>
8270  A pattern variable may optionally have a type signature.
8271 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
8272 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
8273
8274 <programlisting>
8275 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
8276               foldr k z (build g) = g k z
8277 </programlisting>
8278
8279 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
8280
8281 </para>
8282 </listitem>
8283 <listitem>
8284
8285 <para>
8286 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
8287 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
8288
8289 <programlisting>
8290 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
8291 "wrong2"   forall f.      f True = True
8292 </programlisting>
8293
8294 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
8295 in the head.
8296 </para>
8297 </listitem>
8298 <listitem>
8299
8300 <para>
8301  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
8302 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
8303 </para>
8304 </listitem>
8305 <listitem>
8306
8307 <para>
8308  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
8309 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
8310 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
8311 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
8312 declarations.
8313 </para>
8314 </listitem>
8315
8316 <listitem>
8317
8318 <para>
8319 Inside a RULE "<literal>forall</literal>" is treated as a keyword, regardless of
8320 any other flag settings.  Furthermore, inside a RULE, the language extension
8321 <option>-XScopedTypeVariables</option> is automatically enabled; see 
8322 <xref linkend="scoped-type-variables"/>.
8323 </para>
8324 </listitem>
8325 <listitem>
8326
8327 <para>
8328 Like other pragmas, RULE pragmas are always checked for scope errors, and
8329 are typechecked. Typechecking means that the LHS and RHS of a rule are typechecked, 
8330 and must have the same type.  However, rules are only <emphasis>enabled</emphasis>
8331 if the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag is 
8332 on (see <xref linkend="rule-semantics"/>).
8333 </para>
8334 </listitem>
8335 </itemizedlist>
8336
8337 </para>
8338
8339 </sect2>
8340
8341 <sect2 id="rule-semantics">
8342 <title>Semantics</title>
8343
8344 <para>
8345 From a semantic point of view:
8346
8347 <itemizedlist>
8348 <listitem>
8349 <para>
8350 Rules are enabled (that is, used during optimisation)
8351 by the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag.
8352 This flag is implied by <option>-O</option>, and may be switched
8353 off (as usual) by <option>-fno-enable-rewrite-rules</option>.
8354 (NB: enabling <option>-fenable-rewrite-rules</option> without <option>-O</option> 
8355 may not do what you expect, though, because without <option>-O</option> GHC 
8356 ignores all optimisation information in interface files;
8357 see <option>-fignore-interface-pragmas</option>, <xref linkend="options-f"/>.)
8358 Note that <option>-fenable-rewrite-rules</option> is an <emphasis>optimisation</emphasis> flag, and
8359 has no effect on parsing or typechecking.
8360 </para>
8361 </listitem>
8362
8363 <listitem>
8364 <para>
8365  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
8366 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
8367 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
8368 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
8369 expression by substituting for the pattern variables.
8370
8371 </para>
8372 </listitem>
8373 <listitem>
8374
8375 <para>
8376  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
8377 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
8378 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
8379
8380 </para>
8381 </listitem>
8382 <listitem>
8383
8384 <para>
8385  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
8386 terminating.  For example:
8387
8388 <programlisting>
8389   "loop"        forall x y.  f x y = f y x
8390 </programlisting>
8391
8392 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
8393
8394 </para>
8395 </listitem>
8396 <listitem>
8397
8398 <para>
8399  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
8400
8401 </para>
8402 </listitem>
8403 <listitem>
8404 <para>
8405  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
8406 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
8407 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
8408 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
8409 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
8410 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
8411 </para>
8412
8413 <para>
8414 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
8415 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
8416 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
8417 </para>
8418 </listitem>
8419 <listitem>
8420
8421 <para>
8422  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
8423 For example, consider:
8424
8425 <programlisting>
8426   let s = map f
8427       t = map g
8428   in
8429   s (t xs)
8430 </programlisting>
8431
8432 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
8433 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
8434 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
8435 not be substituted, and the rule would not fire.
8436
8437 </para>
8438 </listitem>
8439 </itemizedlist>
8440
8441 </para>
8442
8443 </sect2>
8444
8445 <sect2 id="conlike">
8446 <title>How rules interact with INLINE/NOINLINE and CONLIKE pragmas</title>
8447
8448 <para>
8449 Ordinary inlining happens at the same time as rule rewriting, which may lead to unexpected
8450 results.  Consider this (artificial) example
8451 <programlisting>
8452 f x = x
8453 g y = f y
8454 h z = g True
8455
8456 {-# RULES "f" f True = False #-}
8457 </programlisting>
8458 Since <literal>f</literal>'s right-hand side is small, it is inlined into <literal>g</literal>,
8459 to give
8460 <programlisting>
8461 g y = y
8462 </programlisting>
8463 Now <literal>g</literal> is inlined into <literal>h</literal>, but <literal>f</literal>'s RULE has
8464 no chance to fire.  
8465 If instead GHC had first inlined <literal>g</literal> into <literal>h</literal> then there
8466 would have been a better chance that <literal>f</literal>'s RULE might fire.  
8467 </para>
8468 <para>
8469 The way to get predictable behaviour is to use a NOINLINE 
8470 pragma, or an INLINE[<replaceable>phase</replaceable>] pragma, on <literal>f</literal>, to ensure
8471 that it is not inlined until its RULEs have had a chance to fire.
8472 </para>
8473 <para>
8474 GHC is very cautious about duplicating work.  For example, consider
8475 <programlisting>
8476 f k z xs = let xs = build g
8477            in ...(foldr k z xs)...sum xs...
8478 {-# RULES "foldr/build" forall k z g. foldr k z (build g) = g k z #-}
8479 </programlisting>
8480 Since <literal>xs</literal> is used twice, GHC does not fire the foldr/build rule.  Rightly
8481 so, because it might take a lot of work to compute <literal>xs</literal>, which would be
8482 duplicated if the rule fired.
8483 </para>
8484 <para>
8485 Sometimes, however, this approach is over-cautious, and we <emphasis>do</emphasis> want the
8486 rule to fire, even though doing so would duplicate redex.  There is no way that GHC can work out
8487 when this is a good idea, so we provide the CONLIKE pragma to declare it, thus:
8488 <programlisting>
8489 {-# INLINE[1] CONLIKE f #-}
8490 f x = <replaceable>blah</replaceable>
8491 </programlisting>
8492 CONLIKE is a modifier to an INLINE or NOINLINE pragam.  It specifies that an application
8493 of f to one argument (in general, the number of arguments to the left of the '=' sign)
8494 should be considered cheap enough to duplicate, if such a duplication would make rule
8495 fire.  (The name "CONLIKE" is short for "constructor-like", because constructors certainly
8496 have such a property.)
8497 The CONLIKE pragam is a modifier to INLINE/NOINLINE because it really only makes sense to match 
8498 <literal>f</literal> on the LHS of a rule if you are sure that <literal>f</literal> is
8499 not going to be inlined before the rule has a chance to fire.
8500 </para>
8501 </sect2>
8502
8503 <sect2>
8504 <title>List fusion</title>
8505
8506 <para>
8507 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
8508 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
8509 intermediate list should be eliminated entirely.
8510 </para>
8511
8512 <para>
8513 The following are good producers:
8514
8515 <itemizedlist>
8516 <listitem>
8517
8518 <para>
8519  List comprehensions
8520 </para>
8521 </listitem>
8522 <listitem>
8523
8524 <para>
8525  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
8526 </para>
8527 </listitem>
8528 <listitem>
8529
8530 <para>
8531  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
8532 </para>
8533 </listitem>
8534 <listitem>
8535
8536 <para>
8537  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
8538 </para>
8539 </listitem>
8540 <listitem>
8541
8542 <para>
8543  <function>++</function>
8544 </para>
8545 </listitem>
8546
8547 <listitem>
8548 <para>
8549  <function>map</function>
8550 </para>
8551 </listitem>
8552
8553 <listitem>
8554 <para>
8555 <function>take</function>, <function>filter</function>
8556 </para>
8557 </listitem>
8558 <listitem>
8559
8560 <para>
8561  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
8562 </para>
8563 </listitem>
8564 <listitem>
8565
8566 <para>
8567  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
8568 </para>
8569 </listitem>
8570
8571 </itemizedlist>
8572
8573 </para>
8574
8575 <para>
8576 The following are good consumers:
8577
8578 <itemizedlist>
8579 <listitem>
8580
8581 <para>
8582  List comprehensions
8583 </para>
8584 </listitem>
8585 <listitem>
8586
8587 <para>
8588  <function>array</function> (on its second argument)
8589 </para>
8590 </listitem>
8591 <listitem>
8592
8593 <para>
8594  <function>++</function> (on its first argument)
8595 </para>
8596 </listitem>
8597
8598 <listitem>
8599 <para>
8600  <function>foldr</function>
8601 </para>
8602 </listitem>
8603
8604 <listitem>
8605 <para>
8606  <function>map</function>
8607 </para>
8608 </listitem>
8609 <listitem>
8610
8611 <para>
8612 <function>take</function>, <function>filter</function>
8613 </para>
8614 </listitem>
8615 <listitem>
8616
8617 <para>
8618  <function>concat</function>
8619 </para>
8620 </listitem>
8621 <listitem>
8622
8623 <para>
8624  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
8625 </para>
8626 </listitem>
8627 <listitem>
8628
8629 <para>
8630  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
8631 will fuse with one but not the other)
8632 </para>
8633 </listitem>
8634 <listitem>
8635
8636 <para>
8637  <function>partition</function>
8638 </para>
8639 </listitem>
8640 <listitem>
8641
8642 <para>
8643  <function>head</function>
8644 </para>
8645 </listitem>
8646 <listitem>
8647
8648 <para>
8649  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
8650 </para>
8651 </listitem>
8652 <listitem>
8653
8654 <para>
8655  <function>sequence&lowbar;</function>
8656 </para>
8657 </listitem>
8658 <listitem>
8659
8660 <para>
8661  <function>msum</function>
8662 </para>
8663 </listitem>
8664 <listitem>
8665
8666 <para>
8667  <function>sortBy</function>
8668 </para>
8669 </listitem>
8670
8671 </itemizedlist>
8672
8673 </para>
8674
8675  <para>
8676 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
8677
8678 <programlisting>
8679 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
8680 </programlisting>
8681
8682 </para>
8683
8684 <para>
8685 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
8686 a lot which are not included, please tell us.
8687 </para>
8688
8689 <para>
8690 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
8691 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
8692 </para>
8693
8694 </sect2>
8695
8696 <sect2 id="rule-spec">
8697 <title>Specialisation
8698 </title>
8699
8700 <para>
8701 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
8702 present in earlier versions of GHC.
8703 For example, suppose that:
8704
8705 <programlisting>
8706 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
8707 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
8708 </programlisting>
8709
8710 where <function>intLookup</function> is an implementation of
8711 <function>genericLookup</function> that works very fast for
8712 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
8713 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
8714 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
8715 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
8716 It used to be possible to write
8717
8718 <programlisting>
8719 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
8720 </programlisting>
8721
8722 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
8723
8724 <programlisting>
8725 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
8726 </programlisting>
8727
8728 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
8729 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
8730 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
8731 What is more, this rule does not need to be in the same
8732 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
8733 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
8734 have an original definition available to specialise).
8735 </para>
8736
8737 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
8738 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
8739 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
8740
8741 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
8742 specialisation will Win Big:
8743
8744 <programlisting>
8745 toDouble :: Real a => a -> Double
8746 toDouble = fromRational . toRational
8747
8748 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
8749 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
8750 </programlisting>
8751
8752 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
8753 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
8754 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
8755 comparison.
8756 </para>
8757
8758 </sect2>
8759
8760 <sect2 id="controlling-rules">
8761 <title>Controlling what's going on in rewrite rules</title>
8762
8763 <para>
8764
8765 <itemizedlist>
8766 <listitem>
8767
8768 <para>
8769 Use <option>-ddump-rules</option> to see the rules that are defined
8770 <emphasis>in this module</emphasis>.
8771 This includes rules generated by the specialisation pass, but excludes
8772 rules imported from other modules. 
8773 </para>
8774 </listitem>
8775
8776 <listitem>
8777 <para>
8778  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
8779 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
8780 </para>
8781 </listitem>
8782
8783 <listitem>
8784 <para>
8785  Use <option>-ddump-rule-firings</option> or <option>-ddump-rule-rewrites</option>
8786 to see in great detail what rules are being fired.
8787 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a still more detailed listing.
8788 </para>
8789 </listitem>
8790
8791 <listitem>
8792 <para>
8793  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks like this:
8794
8795 <programlisting>
8796         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
8797         {-# INLINE build #-}
8798         build g = g (:) []
8799 </programlisting>
8800
8801 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
8802 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
8803 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
8804 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
8805
8806 </para>
8807 </listitem>
8808 <listitem>
8809
8810 <para>
8811  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
8812 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
8813 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
8814 </para>
8815 </listitem>
8816
8817 </itemizedlist>
8818
8819 </para>
8820
8821 </sect2>
8822
8823 <sect2 id="core-pragma">
8824   <title>CORE pragma</title>
8825
8826   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
8827   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
8828   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
8829
8830 <para>
8831   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
8832   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
8833   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
8834   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
8835   literal as an argument.  The following function definition shows an
8836   example:
8837
8838 <programlisting>
8839 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
8840 </programlisting>
8841
8842   Semantically, this is equivalent to:
8843
8844 <programlisting>
8845 g x = show x
8846 </programlisting>
8847 </para>
8848
8849 <para>
8850   However, when external core is generated (via
8851   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
8852   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
8853   The core function declaration for <function>f</function> is:
8854 </para>
8855
8856 <programlisting>
8857   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
8858                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
8859     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
8860         (%note "foo"
8861          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
8862            {GHCziShow.ZCDShow
8863             (tpl1::GHCziBase.Int ->
8864                    a ->
8865                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8866 r)
8867             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
8868             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
8869                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8870 r) ->
8871               tpl2})
8872         (%note "bar"
8873          eta);
8874 </programlisting>
8875
8876 <para>
8877   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
8878   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
8879   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
8880   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
8881   <varname>x</varname>).
8882 </para>
8883
8884 </sect2>
8885
8886 </sect1>
8887
8888 <sect1 id="special-ids">
8889 <title>Special built-in functions</title>
8890 <para>GHC has a few built-in functions with special behaviour.  These
8891 are now described in the module <ulink
8892 url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html"><literal>GHC.Prim</literal></ulink>
8893 in the library documentation.
8894 In particular:
8895 <itemizedlist>
8896 <listitem><para>
8897 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html#v%3Ainline"><literal>inline</literal></ulink>
8898 allows control over inlining on a per-call-site basis.
8899 </para></listitem>
8900 <listitem><para>
8901 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html#v%3Alazy"><literal>lazy</literal></ulink>
8902 restrains the strictness analyser.
8903 </para></listitem>
8904 <listitem><para>
8905 <ulink url="&libraryGhcPrimLocation;/GHC-Prim.html#v%3AunsafeCoerce%23"><literal>lazy</literal></ulink> 
8906 allows you to fool the type checker.
8907 </para></listitem>
8908 </itemizedlist>
8909 </para>
8910 </sect1>
8911
8912
8913 <sect1 id="generic-classes">
8914 <title>Generic classes</title>
8915
8916 <para>
8917 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
8918 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
8919 An example will give the idea:
8920 </para>
8921
8922 <programlisting>
8923   import Generics
8924
8925   class Bin a where
8926     toBin   :: a -> [Int]
8927     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
8928   
8929     toBin {| Unit |}    Unit      = []
8930     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
8931     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
8932     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
8933   
8934     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
8935     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
8936     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
8937     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
8938                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
8939 </programlisting>
8940 <para>
8941 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
8942 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
8943 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
8944 </para>
8945 <programlisting>
8946   data Unit    = Unit
8947   data a :+: b = Inl a | Inr b
8948   data a :*: b = a :*: b
8949 </programlisting>
8950 <para>
8951 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
8952 <programlisting>
8953   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
8954   instance Bin a => Bin [a]
8955 </programlisting>
8956 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
8957 where clause and over-ride whichever methods you please.
8958 </para>
8959
8960     <sect2>
8961       <title> Using generics </title>
8962       <para>To use generics you need to</para>
8963       <itemizedlist>
8964         <listitem>
8965           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
8966                 <option>-XGenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
8967                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
8968                 available.  </para>
8969         </listitem>
8970         <listitem>
8971           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
8972           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
8973           scope the data types <literal>Unit</literal>,
8974           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
8975           don't need this import if you don't mention these types
8976           explicitly; for example, if you are simply giving instance
8977           declarations.)</para>
8978         </listitem>
8979       </itemizedlist>
8980     </sect2>
8981
8982 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
8983 <para>
8984 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
8985 can be written infix (indeed, you can now use
8986 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
8987 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
8988 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
8989 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
8990 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
8991 anticipate wanting).
8992 </para>
8993 </sect2>
8994
8995 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
8996 <para>
8997 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
8998 is one that is defined using type patterns as above.
8999 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
9000 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
9001 generic default method.
9002 </para>
9003
9004 <para>
9005 Restrictions:
9006 <itemizedlist>
9007 <listitem>
9008 <para>
9009 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
9010 field labels.
9011 </para>
9012 </listitem>
9013
9014 <listitem>
9015 <para>
9016 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
9017 multi-parameter class.
9018 </para>
9019 </listitem>
9020
9021 <listitem>
9022 <para>
9023 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
9024 without.  So this is illegal:
9025 <programlisting>
9026   class Foo a where
9027     op :: a -> (a, Bool)
9028     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
9029     op x               = (x,    False)
9030 </programlisting>
9031 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
9032 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
9033 </para>
9034 </listitem>
9035
9036 <listitem>
9037 <para>
9038 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
9039 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:
9040 <programlisting>
9041   class Foo a where
9042     op :: a -> Bool
9043     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
9044     ...
9045 </programlisting>
9046 </para>
9047 </listitem>
9048
9049 <listitem>
9050 <para>
9051 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
9052 <programlisting>
9053        a :+: b
9054        a :*: b
9055        Unit
9056 </programlisting>
9057 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
9058 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
9059 must use the same type variables.  So this is illegal:
9060 <programlisting>
9061   class Foo a where
9062     op :: a -> Bool
9063     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
9064     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
9065 </programlisting>
9066 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
9067 So this too is illegal:
9068 <programlisting>
9069   class Foo a where
9070     op1 :: a -> Bool
9071     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
9072
9073     op2 :: a -> Bool
9074     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
9075 </programlisting>
9076 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type constructor
9077 into a single generic instance declaration.)
9078 </para>
9079 </listitem>
9080
9081 <listitem>
9082 <para>
9083 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
9084 </para>
9085 </listitem>
9086
9087 <listitem>
9088 <para>
9089 The type for a generic method can be built only from:
9090   <itemizedlist>
9091   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
9092   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
9093   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
9094   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
9095   </itemizedlist>
9096 Here are some example type signatures for generic methods:
9097 <programlisting>
9098     op1 :: a -> Bool
9099     op2 :: Bool -> (a,Bool)
9100     op3 :: [Int] -> a -> a
9101     op4 :: [a] -> Bool
9102 </programlisting>
9103 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
9104 inside a list.  
9105 </para>
9106 <para>
9107 This restriction is an implementation restriction: we just haven't got around to
9108 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
9109 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
9110 to the ones that are allowed.</para>
9111 </listitem>
9112
9113 <listitem>
9114 <para>
9115 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
9116 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
9117 do so if
9118   <itemizedlist>
9119   <listitem>
9120   <para>
9121   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
9122   </para>
9123   </listitem>
9124   <listitem>
9125   <para>
9126   No constructor of the instance type has unboxed fields.
9127   </para>
9128   </listitem>
9129   </itemizedlist>
9130 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
9131 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
9132 provided you give explicit code to override any generic default methods.
9133 </para>
9134 </listitem>
9135
9136 </itemizedlist>
9137 </para>
9138
9139 <para>
9140 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
9141 what the compiler does with generic declarations.
9142 </para>
9143
9144 </sect2>
9145
9146 <sect2> <title> Another example </title>
9147 <para>
9148 Just to finish with, here's another example I rather like:
9149 <programlisting>
9150   class Tag a where
9151     nCons :: a -> Int
9152     nCons {| Unit |}    _ = 1
9153     nCons {| a :*: b |} _ = 1
9154     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
9155   
9156     tag :: a -> Int
9157     tag {| Unit |}    _       = 1
9158     tag {| a :*: b |} _       = 1   
9159     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
9160     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
9161 </programlisting>
9162 </para>
9163 </sect2>
9164 </sect1>
9165
9166 <sect1 id="monomorphism">
9167 <title>Control over monomorphism</title>
9168
9169 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
9170 carried out at let and where bindings.
9171 </para>
9172
9173 <sect2>
9174 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
9175           <indexterm><primary><option>-XNoMonomorphismRestriction</option></primary></indexterm>
9176
9177 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
9178 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
9179 4.5.5</ulink>
9180 of the Haskell Report)
9181 can be completely switched off by
9182 <option>-XNoMonomorphismRestriction</option>.
9183 </para>
9184 </sect2>
9185
9186 <sect2>
9187 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
9188           <indexterm><primary><option>-XNoMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
9189           <indexterm><primary><option>-XMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
9190
9191           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
9192           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
9193             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
9194             and is not a simple variable.  For example:
9195 <programlisting>
9196   f x = x                    -- Not a pattern binding
9197   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
9198   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
9199
9200   (g,h) = e                  -- A pattern binding
9201   (f) = e                    -- A pattern binding
9202   [x] = e                    -- A pattern binding
9203 </programlisting>
9204 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
9205 default</emphasis>.  Use <option>-XNoMonoPatBinds</option> to recover the
9206 standard behaviour.
9207 </para>
9208 </sect2>
9209 </sect1>
9210
9211
9212
9213 <!-- Emacs stuff:
9214      ;;; Local Variables: ***
9215      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
9216      ;;; ispell-local-dictionary: "british" ***
9217      ;;; End: ***
9218  -->
9219