Fix formatting and wording in documentation of DoRec
[ghc-hetmet.git] / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>The language option flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>Language options can be controlled in two ways:
46     <itemizedlist>
47       <listitem><para>Every language option can switched on by a command-line flag "<option>-X...</option>" 
48         (e.g. <option>-XTemplateHaskell</option>), and switched off by the flag "<option>-XNo...</option>"; 
49         (e.g. <option>-XNoTemplateHaskell</option>).</para></listitem>
50       <listitem><para>
51           Language options recognised by Cabal can also be enabled using the <literal>LANGUAGE</literal> pragma,
52           thus <literal>{-# LANGUAGE TemplateHaskell #-}</literal> (see <xref linkend="language-pragma"/>). </para>
53           </listitem>
54       </itemizedlist></para>
55
56     <para>The flag <option>-fglasgow-exts</option>
57           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
58           is equivalent to enabling the following extensions: 
59           <option>-XPrintExplicitForalls</option>,
60           <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
61           <option>-XUnliftedFFITypes</option>,
62           <option>-XGADTs</option>,
63           <option>-XImplicitParams</option>,
64           <option>-XScopedTypeVariables</option>,
65           <option>-XUnboxedTuples</option>,
66           <option>-XTypeSynonymInstances</option>,
67           <option>-XStandaloneDeriving</option>,
68           <option>-XDeriveDataTypeable</option>,
69           <option>-XFlexibleContexts</option>,
70           <option>-XFlexibleInstances</option>,
71           <option>-XConstrainedClassMethods</option>,
72           <option>-XMultiParamTypeClasses</option>,
73           <option>-XFunctionalDependencies</option>,
74           <option>-XMagicHash</option>,
75           <option>-XPolymorphicComponents</option>,
76           <option>-XExistentialQuantification</option>,
77           <option>-XUnicodeSyntax</option>,
78           <option>-XPostfixOperators</option>,
79           <option>-XPatternGuards</option>,
80           <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
81           <option>-XExplicitForAll</option>,
82           <option>-XRankNTypes</option>,
83           <option>-XImpredicativeTypes</option>,
84           <option>-XTypeOperators</option>,
85           <option>-XDoRec</option>,
86           <option>-XParallelListComp</option>,
87           <option>-XEmptyDataDecls</option>,
88           <option>-XKindSignatures</option>,
89           <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
90           <option>-XTypeFamilies</option>.
91             Enabling these options is the <emphasis>only</emphasis> 
92             effect of <option>-fglasgow-exts</option>.
93           We are trying to move away from this portmanteau flag, 
94           and towards enabling features individually.</para>
95
96   </sect1>
97
98 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
99 <sect1 id="primitives">
100   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
101
102 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations;
103 "primitive" in the sense that they cannot be defined in Haskell itself.
104 While you really can use this stuff to write fast code,
105   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
106   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
107   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
108   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
109   about it.</para>
110
111 <para>All these primitive data types and operations are exported by the 
112 library <literal>GHC.Prim</literal>, for which there is 
113 <ulink url="../libraries/ghc-prim/GHC-Prim.html">detailed online documentation</ulink>.
114 (This documentation is generated from the file <filename>compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.)
115 </para>
116 <para>
117 If you want to mention any of the primitive data types or operations in your
118 program, you must first import <literal>GHC.Prim</literal> to bring them
119 into scope.  Many of them have names ending in "&num;", and to mention such
120 names you need the <option>-XMagicHash</option> extension (<xref linkend="magic-hash"/>).
121 </para>
122
123 <para>The primops make extensive use of <link linkend="glasgow-unboxed">unboxed types</link> 
124 and <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link>, which
125 we briefly summarise here. </para>
126   
127 <sect2 id="glasgow-unboxed">
128 <title>Unboxed types
129 </title>
130
131 <para>
132 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
133 </para>
134
135 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
136 that values of that type are represented by a pointer to a heap
137 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
138 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
139 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
140 allocation are involved.
141 </para>
142
143 <para>
144 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
145 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
146 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
147 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
148 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
149 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
150 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
151 know and love&mdash;usually one instruction.
152 </para>
153
154 <para>
155 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
156 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
157 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
158 bottom.  We use the convention (but it is only a convention) 
159 that primitive types, values, and
160 operations have a <literal>&num;</literal> suffix (see <xref linkend="magic-hash"/>).
161 For some primitive types we have special syntax for literals, also
162 described in the <link linkend="magic-hash">same section</link>.
163 </para>
164
165 <para>
166 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
167 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
168 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
169 a primitive value might be represented by a pointer to a
170 heap-allocated object.  Examples include
171 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
172 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
173 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
174 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
175 represents a primitive value, then it really does point to that value:
176 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
177 other end of the pointer than the primitive value.
178 A numerically-intensive program using unboxed types can
179 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
180 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
181 </para>
182
183 <para>
184 There are some restrictions on the use of primitive types:
185 <itemizedlist>
186 <listitem><para>The main restriction
187 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
188 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
189 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
190 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
191 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
192 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
193 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
194 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
195 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
196 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
197 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
198 </para>
199 </listitem>
200 <listitem><para> You cannot define a newtype whose representation type
201 (the argument type of the data constructor) is an unboxed type.  Thus,
202 this is illegal:
203 <programlisting>
204   newtype A = MkA Int#
205 </programlisting>
206 </para></listitem>
207 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
208 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
209 </para></listitem>
210 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
211 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
212 </para></listitem>
213 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
214 non-top-level) pattern binding, but you must make any such pattern-match
215 strict.  For example, rather than:
216 <programlisting>
217   data Foo = Foo Int Int#
218
219   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
220 </programlisting>
221 you must write:
222 <programlisting>
223   data Foo = Foo Int Int#
224
225   f x = let !(Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
226 </programlisting>
227 since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>.
228 </para>
229 </listitem>
230 </itemizedlist>
231 </para>
232
233 </sect2>
234
235 <sect2 id="unboxed-tuples">
236 <title>Unboxed Tuples
237 </title>
238
239 <para>
240 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
241 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
242 unboxed tuple looks like this:
243 </para>
244
245 <para>
246
247 <programlisting>
248 (# e_1, ..., e_n #)
249 </programlisting>
250
251 </para>
252
253 <para>
254 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
255 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
256 the same.
257 </para>
258
259 <para>
260 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
261 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
262 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
263 components are put directly into registers or on the stack; the
264 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
265 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
266 tuples.
267 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
268 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
269 </para>
270
271 <para>
272 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
273 <itemizedlist>
274 <listitem>
275
276 <para>
277 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
278 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
279 structures or passed to polymorphic functions.
280
281 </para>
282 </listitem>
283 <listitem>
284
285 <para>
286 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
287 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
288
289
290 <programlisting>
291   data Foo = Foo (# Int, Int #)
292
293   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
294   f x = x
295
296   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
297   g (# a,b #) = a
298
299   h x = let y = (# x,x #) in ...
300 </programlisting>
301 </para>
302 </listitem>
303 </itemizedlist>
304 </para>
305 <para>
306 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
307 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
308 <programlisting>
309   f x y = (# x+1, y-1 #)
310   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
311 </programlisting>
312 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
313 <programlisting>
314   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
315 </programlisting>
316 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
317 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
318 above example desugars like this:
319 <programlisting>
320   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
321             p = fst t
322             q = snd t
323         in ..body..
324 </programlisting>
325 Indeed, the bindings can even be recursive.
326 </para>
327
328 </sect2>
329 </sect1>
330
331
332 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
333
334 <sect1 id="syntax-extns">
335 <title>Syntactic extensions</title>
336  
337     <sect2 id="unicode-syntax">
338       <title>Unicode syntax</title>
339       <para>The language
340       extension <option>-XUnicodeSyntax</option><indexterm><primary><option>-XUnicodeSyntax</option></primary></indexterm>
341       enables Unicode characters to be used to stand for certain ASCII
342       character sequences.  The following alternatives are provided:</para>
343
344       <informaltable>
345         <tgroup cols="2" align="left" colsep="1" rowsep="1">
346           <thead>
347             <row>
348               <entry>ASCII</entry>
349               <entry>Unicode alternative</entry>
350               <entry>Code point</entry>
351               <entry>Name</entry>
352             </row>
353           </thead>
354           <tbody>
355             <row>
356               <entry><literal>::</literal></entry>
357               <entry>::</entry> <!-- no special char, apparently -->
358               <entry>0x2237</entry>
359               <entry>PROPORTION</entry>
360             </row>
361           </tbody>
362           <tbody>
363             <row>
364               <entry><literal>=&gt;</literal></entry>
365               <entry>&rArr;</entry>
366               <entry>0x21D2</entry>
367               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW</entry>
368             </row>
369           </tbody>
370           <tbody>
371             <row>
372               <entry><literal>forall</literal></entry>
373               <entry>&forall;</entry>
374               <entry>0x2200</entry>
375               <entry>FOR ALL</entry>
376             </row>
377           </tbody>
378           <tbody>
379             <row>
380               <entry><literal>-&gt;</literal></entry>
381               <entry>&rarr;</entry>
382               <entry>0x2192</entry>
383               <entry>RIGHTWARDS ARROW</entry>
384             </row>
385           </tbody>
386           <tbody>
387             <row>
388               <entry><literal>&lt;-</literal></entry>
389               <entry>&larr;</entry>
390               <entry>0x2190</entry>
391               <entry>LEFTWARDS ARROW</entry>
392             </row>
393           </tbody>
394           <tbody>
395             <row>
396               <entry>..</entry>
397               <entry>&hellip;</entry>
398               <entry>0x22EF</entry>
399               <entry>MIDLINE HORIZONTAL ELLIPSIS</entry>
400             </row>
401           </tbody>
402         </tgroup>
403       </informaltable>
404     </sect2>
405
406     <sect2 id="magic-hash">
407       <title>The magic hash</title>
408       <para>The language extension <option>-XMagicHash</option> allows "&num;" as a
409         postfix modifier to identifiers.  Thus, "x&num;" is a valid variable, and "T&num;" is
410         a valid type constructor or data constructor.</para>
411
412       <para>The hash sign does not change sematics at all.  We tend to use variable
413         names ending in "&num;" for unboxed values or types (e.g. <literal>Int&num;</literal>), 
414         but there is no requirement to do so; they are just plain ordinary variables.
415         Nor does the <option>-XMagicHash</option> extension bring anything into scope.
416         For example, to bring <literal>Int&num;</literal> into scope you must 
417         import <literal>GHC.Prim</literal> (see <xref linkend="primitives"/>); 
418         the <option>-XMagicHash</option> extension
419         then allows you to <emphasis>refer</emphasis> to the <literal>Int&num;</literal>
420         that is now in scope.</para>
421       <para> The <option>-XMagicHash</option> also enables some new forms of literals (see <xref linkend="glasgow-unboxed"/>):
422         <itemizedlist> 
423           <listitem><para> <literal>'x'&num;</literal> has type <literal>Char&num;</literal></para> </listitem>
424           <listitem><para> <literal>&quot;foo&quot;&num;</literal> has type <literal>Addr&num;</literal></para> </listitem>
425           <listitem><para> <literal>3&num;</literal> has type <literal>Int&num;</literal>. In general,
426           any Haskell 98 integer lexeme followed by a <literal>&num;</literal> is an <literal>Int&num;</literal> literal, e.g.
427             <literal>-0x3A&num;</literal> as well as <literal>32&num;</literal></para>.</listitem>
428           <listitem><para> <literal>3&num;&num;</literal> has type <literal>Word&num;</literal>. In general,
429           any non-negative Haskell 98 integer lexeme followed by <literal>&num;&num;</literal> 
430               is a <literal>Word&num;</literal>. </para> </listitem>
431           <listitem><para> <literal>3.2&num;</literal> has type <literal>Float&num;</literal>.</para> </listitem>
432           <listitem><para> <literal>3.2&num;&num;</literal> has type <literal>Double&num;</literal></para> </listitem>
433           </itemizedlist>
434       </para>
435    </sect2>
436
437     <sect2 id="new-qualified-operators">
438       <title>New qualified operator syntax</title>
439
440       <para>A new syntax for referencing qualified operators is
441         planned to be introduced by Haskell', and is enabled in GHC
442         with
443         the <option>-XNewQualifiedOperators</option><indexterm><primary><option>-XNewQualifiedOperators</option></primary></indexterm>
444         option.  In the new syntax, the prefix form of a qualified
445         operator is
446         written <literal><replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>
447         (in Haskell 98 this would
448         be <literal>(<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>),
449         and the infix form is
450         written <literal>`<replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)`</literal>
451         (in Haskell 98 this would
452         be <literal>`<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>`</literal>.
453         For example:
454 <programlisting>
455   add x y = Prelude.(+) x y
456   subtract y = (`Prelude.(-)` y)
457 </programlisting>
458         The new form of qualified operators is intended to regularise
459         the syntax by eliminating odd cases
460         like <literal>Prelude..</literal>.  For example,
461         when <literal>NewQualifiedOperators</literal> is on, it is possible to
462         write the enumerated sequence <literal>[Monday..]</literal>
463         without spaces, whereas in Haskell 98 this would be a
464         reference to the operator &lsquo;<literal>.</literal>&lsquo;
465         from module <literal>Monday</literal>.</para>
466
467       <para>When <option>-XNewQualifiedOperators</option> is on, the old Haskell
468         98 syntax for qualified operators is not accepted, so this
469         option may cause existing Haskell 98 code to break.</para>
470
471     </sect2>
472         
473
474     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
475
476
477     <sect2 id="hierarchical-modules">
478       <title>Hierarchical Modules</title>
479
480       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
481       names: a module name is allowed to contain a dot
482       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
483       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
484       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
485       more flexible hierarchy of modules.</para>
486
487       <para>This extension has very little impact on the language
488       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
489       qualified, so you can just think of the fully qualified module
490       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
491       means that the full module name must be given after the
492       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
493       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
494       begin</para>
495
496 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
497
498
499       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
500       keyword to save some typing when using qualified names with
501       hierarchical modules.  For example:</para>
502
503 <programlisting>
504 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
505 </programlisting>
506
507       <para>For details on how GHC searches for source and interface
508       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
509       linkend="search-path"/>.</para>
510
511       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
512       hierarchically; see the accompanying <ulink
513       url="../libraries/index.html">library
514       documentation</ulink>.  More libraries to install are available
515       from <ulink
516       url="http://hackage.haskell.org/packages/hackage.html">HackageDB</ulink>.</para>
517     </sect2>
518
519     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
520
521 <sect2 id="pattern-guards">
522 <title>Pattern guards</title>
523
524 <para>
525 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
526 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.)
527 </para>
528
529 <para>
530 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
531 lookup operation:
532
533 <programlisting>
534 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
535 </programlisting>
536
537 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
538 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
539 </para>
540
541 <programlisting>
542 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
543 | otherwise  = var1 + var2
544 where
545   m1 = lookup env var1
546   m2 = lookup env var2
547   ok1 = maybeToBool m1
548   ok2 = maybeToBool m2
549   val1 = expectJust m1
550   val2 = expectJust m2
551 </programlisting>
552
553 <para>
554 The auxiliary functions are 
555 </para>
556
557 <programlisting>
558 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
559 maybeToBool (Just x) = True
560 maybeToBool Nothing  = False
561
562 expectJust :: Maybe a -&gt; a
563 expectJust (Just x) = x
564 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
565 </programlisting>
566
567 <para>
568 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
569 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
570 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
571 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
572 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
573 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
574 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
575 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
576 </para>
577
578 <para>
579 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
580 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
581 to write clunky would be to use case expressions:
582 </para>
583
584 <programlisting>
585 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
586   Nothing -&gt; fail
587   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
588     Nothing -&gt; fail
589     Just val2 -&gt; val1 + val2
590 where
591   fail = var1 + var2
592 </programlisting>
593
594 <para>
595 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
596 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
597 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
598 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
599 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
600 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
601 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
602 tends to become more and more indented. 
603 </para>
604
605 <para>
606 Here is how I would write clunky:
607 </para>
608
609 <programlisting>
610 clunky env var1 var2
611   | Just val1 &lt;- lookup env var1
612   , Just val2 &lt;- lookup env var2
613   = val1 + val2
614 ...other equations for clunky...
615 </programlisting>
616
617 <para>
618 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
619 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
620 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
621 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
622 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
623 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
624 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
625 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
626 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
627 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
628 </para>
629
630 <para>
631 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
632 with among the pattern guards.  For example:
633 </para>
634
635 <programlisting>
636 f x | [y] &lt;- x
637     , y > 3
638     , Just z &lt;- h y
639     = ...
640 </programlisting>
641
642 <para>
643 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
644 qualifier list has just one element, a boolean expression.
645 </para>
646 </sect2>
647
648     <!-- ===================== View patterns ===================  -->
649
650 <sect2 id="view-patterns">
651 <title>View patterns
652 </title>
653
654 <para>
655 View patterns are enabled by the flag <literal>-XViewPatterns</literal>.
656 More information and examples of view patterns can be found on the
657 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/ViewPatterns">Wiki
658 page</ulink>.
659 </para>
660
661 <para>
662 View patterns are somewhat like pattern guards that can be nested inside
663 of other patterns.  They are a convenient way of pattern-matching
664 against values of abstract types. For example, in a programming language
665 implementation, we might represent the syntax of the types of the
666 language as follows:
667
668 <programlisting>
669 type Typ
670  
671 data TypView = Unit
672              | Arrow Typ Typ
673
674 view :: Type -> TypeView
675
676 -- additional operations for constructing Typ's ...
677 </programlisting>
678
679 The representation of Typ is held abstract, permitting implementations
680 to use a fancy representation (e.g., hash-consing to manage sharing).
681
682 Without view patterns, using this signature a little inconvenient: 
683 <programlisting>
684 size :: Typ -> Integer
685 size t = case view t of
686   Unit -> 1
687   Arrow t1 t2 -> size t1 + size t2
688 </programlisting>
689
690 It is necessary to iterate the case, rather than using an equational
691 function definition. And the situation is even worse when the matching
692 against <literal>t</literal> is buried deep inside another pattern.
693 </para>
694
695 <para>
696 View patterns permit calling the view function inside the pattern and
697 matching against the result: 
698 <programlisting>
699 size (view -> Unit) = 1
700 size (view -> Arrow t1 t2) = size t1 + size t2
701 </programlisting>
702
703 That is, we add a new form of pattern, written
704 <replaceable>expression</replaceable> <literal>-></literal>
705 <replaceable>pattern</replaceable> that means "apply the expression to
706 whatever we're trying to match against, and then match the result of
707 that application against the pattern". The expression can be any Haskell
708 expression of function type, and view patterns can be used wherever
709 patterns are used.
710 </para>
711
712 <para>
713 The semantics of a pattern <literal>(</literal>
714 <replaceable>exp</replaceable> <literal>-></literal>
715 <replaceable>pat</replaceable> <literal>)</literal> are as follows:
716
717 <itemizedlist>
718
719 <listitem> Scoping:
720
721 <para>The variables bound by the view pattern are the variables bound by
722 <replaceable>pat</replaceable>.
723 </para>
724
725 <para>
726 Any variables in <replaceable>exp</replaceable> are bound occurrences,
727 but variables bound "to the left" in a pattern are in scope.  This
728 feature permits, for example, one argument to a function to be used in
729 the view of another argument.  For example, the function
730 <literal>clunky</literal> from <xref linkend="pattern-guards" /> can be
731 written using view patterns as follows:
732
733 <programlisting>
734 clunky env (lookup env -> Just val1) (lookup env -> Just val2) = val1 + val2
735 ...other equations for clunky...
736 </programlisting>
737 </para>
738
739 <para>
740 More precisely, the scoping rules are: 
741 <itemizedlist>
742 <listitem>
743 <para>
744 In a single pattern, variables bound by patterns to the left of a view
745 pattern expression are in scope. For example:
746 <programlisting>
747 example :: Maybe ((String -> Integer,Integer), String) -> Bool
748 example Just ((f,_), f -> 4) = True
749 </programlisting>
750
751 Additionally, in function definitions, variables bound by matching earlier curried
752 arguments may be used in view pattern expressions in later arguments:
753 <programlisting>
754 example :: (String -> Integer) -> String -> Bool
755 example f (f -> 4) = True
756 </programlisting>
757 That is, the scoping is the same as it would be if the curried arguments
758 were collected into a tuple.  
759 </para>
760 </listitem>
761
762 <listitem>
763 <para>
764 In mutually recursive bindings, such as <literal>let</literal>,
765 <literal>where</literal>, or the top level, view patterns in one
766 declaration may not mention variables bound by other declarations.  That
767 is, each declaration must be self-contained.  For example, the following
768 program is not allowed:
769 <programlisting>
770 let {(x -> y) = e1 ;
771      (y -> x) = e2 } in x
772 </programlisting>
773
774 (We may lift this
775 restriction in the future; the only cost is that type checking patterns
776 would get a little more complicated.)  
777
778
779 </para>
780 </listitem>
781 </itemizedlist>
782
783 </para>
784 </listitem>
785
786 <listitem><para> Typing: If <replaceable>exp</replaceable> has type
787 <replaceable>T1</replaceable> <literal>-></literal>
788 <replaceable>T2</replaceable> and <replaceable>pat</replaceable> matches
789 a <replaceable>T2</replaceable>, then the whole view pattern matches a
790 <replaceable>T1</replaceable>.
791 </para></listitem>
792
793 <listitem><para> Matching: To the equations in Section 3.17.3 of the
794 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/">Haskell 98
795 Report</ulink>, add the following:
796 <programlisting>
797 case v of { (e -> p) -> e1 ; _ -> e2 } 
798  = 
799 case (e v) of { p -> e1 ; _ -> e2 }
800 </programlisting>
801 That is, to match a variable <replaceable>v</replaceable> against a pattern
802 <literal>(</literal> <replaceable>exp</replaceable>
803 <literal>-></literal> <replaceable>pat</replaceable>
804 <literal>)</literal>, evaluate <literal>(</literal>
805 <replaceable>exp</replaceable> <replaceable> v</replaceable>
806 <literal>)</literal> and match the result against
807 <replaceable>pat</replaceable>.  
808 </para></listitem>
809
810 <listitem><para> Efficiency: When the same view function is applied in
811 multiple branches of a function definition or a case expression (e.g.,
812 in <literal>size</literal> above), GHC makes an attempt to collect these
813 applications into a single nested case expression, so that the view
814 function is only applied once.  Pattern compilation in GHC follows the
815 matrix algorithm described in Chapter 4 of <ulink
816 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/slpj-book-1987/">The
817 Implementation of Functional Programming Languages</ulink>.  When the
818 top rows of the first column of a matrix are all view patterns with the
819 "same" expression, these patterns are transformed into a single nested
820 case.  This includes, for example, adjacent view patterns that line up
821 in a tuple, as in
822 <programlisting>
823 f ((view -> A, p1), p2) = e1
824 f ((view -> B, p3), p4) = e2
825 </programlisting>
826 </para>
827
828 <para> The current notion of when two view pattern expressions are "the
829 same" is very restricted: it is not even full syntactic equality.
830 However, it does include variables, literals, applications, and tuples;
831 e.g., two instances of <literal>view ("hi", "there")</literal> will be
832 collected.  However, the current implementation does not compare up to
833 alpha-equivalence, so two instances of <literal>(x, view x ->
834 y)</literal> will not be coalesced.
835 </para>
836
837 </listitem>
838
839 </itemizedlist>
840 </para>
841
842 </sect2>
843
844     <!-- ===================== n+k patterns ===================  -->
845
846 <sect2 id="n-k-patterns">
847 <title>n+k patterns</title>
848 <indexterm><primary><option>-XNoNPlusKPatterns</option></primary></indexterm>
849
850 <para>
851 <literal>n+k</literal> pattern support is enabled by default. To disable
852 it, you can use the <option>-XNoNPlusKPatterns</option> flag.
853 </para>
854
855 </sect2>
856
857     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
858
859 <sect2 id="mdo-notation">
860 <title>The recursive do-notation
861 </title>
862
863 <para>
864 The do-notation of Haskell 98 does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
865 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
866 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
867 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
868 the do-notation.  The <option>-XDoRec</option> flag provides the necessary syntactic support.
869 </para>
870 <para>
871 Here is a simple (albeit contrived) example:
872 <programlisting>
873 {-# LANGUAGE DoRec #-}
874 import Control.Monad.Fix
875
876 justOnes = do { rec { xs &lt;- Just (1:xs) }
877               ; return (map negate xs) }
878 </programlisting>
879 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [-1,-1,-1,...</literal>.
880 </para>
881 <para>
882 The background and motivation for recusrive do-notation is described in
883 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/">A recursive do for Haskell</ulink>,
884 by Levent Erkok, John Launchbury,
885 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
886 This paper is essential reading for anyone making non-trivial use of mdo-notation,
887 and we do not repeat it here.  However, note that GHC uses a different syntax than the one
888 in the paper.
889 </para>
890
891 <sect3>
892 <title>Details of recursive do-notation</title>
893 <para>
894 The recursive do-notation is enabled with the flag <option>-XDoRec</option> or, equivalently,
895 the LANGUAGE pragma <option>DoRec</option>.  It introduces the single new keyword "<literal>rec</literal>",
896 which wraps a mutually-recursive group of monadic statements,
897 producing a single statement.
898 </para>
899 <para>Similar to a <literal>let</literal>
900 statement, the variables bound in the <literal>rec</literal> are 
901 visible throughout the <literal>rec</literal> group, and below it.
902 For example, compare
903 <programlisting>
904 do { a &lt;- getChar              do { a &lt;- getChar                    
905    ; let { r1 = f a r2             ; rec { r1 &lt;- f a r2      
906          ; r2 = g r1 }                   ; r2 &lt;- g r1 }      
907    ; return (r1 ++ r2) }          ; return (r1 ++ r2) }
908 </programlisting>
909 In both cases, <literal>r1</literal> and <literal>r2</literal> are 
910 available both throughout the <literal>let</literal> or <literal>rec</literal> block, and
911 in the statements that follow it.  The difference is that <literal>let</literal> is non-monadic,
912 while <literal>rec</literal> is monadic.  (In Haskell <literal>let</literal> is 
913 really <literal>letrec</literal>, of course.)
914 </para>
915 <para>
916 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class.  Its definition is:
917 </para>
918 <programlisting>
919 class Monad m => MonadFix m where
920    mfix :: (a -> m a) -> m a
921 </programlisting>
922 <para>
923 The function <literal>mfix</literal>
924 dictates how the required recursion operation should be performed.  For example, 
925 <literal>justOnes</literal> desugars as follows:
926 <programlisting>
927 justOnes = do { xs &lt;- mfix (\xs' -&gt; do { xs &lt;- Just (1:xs'); return xs })
928               ; return (map negate xs) }
929 </programlisting>
930 In general, the statment <literal>rec <replaceable>ss</replaceable></literal>
931 is desugared to the statement
932 <programlisting>
933   <replaceable>vs</replaceable> &lt;- mfix (\~<replaceable>vs</replaceable> -&gt; do { <replaceable>ss</replaceable>; return <replaceable>vs</replaceable> })
934 </programlisting>
935 where <replaceable>vs</replaceable> is a tuple of the variables bound by <replaceable>ss</replaceable>.
936 Moreover, the original <literal>rec</literal> typechecks exactly 
937 when the above desugared version would do so.  (For example, this means that 
938 the variables <replaceable>vs</replaceable> are all monomorphic in the statements
939 following the <literal>rec</literal>, because they are bound by a lambda.)
940 </para>
941 <para>
942 Here are some other important points in using the recursive-do notation:
943 <itemizedlist>
944 <listitem><para>
945 It is enabled with the flag <literal>-XDoRec</literal>, which is in turn implied by
946 <literal>-fglasgow-exts</literal>.
947 </para></listitem>
948
949 <listitem><para>
950 If recursive bindings are required for a monad,
951 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
952 </para></listitem>
953
954 <listitem><para>
955 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
956 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
957 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
958 </para></listitem>
959
960 <listitem><para>
961 Unlike ordinary do-notation, but like <literal>let</literal> and <literal>where</literal> bindings,
962 name shadowing is not allowed; that is, all the names bound in a single <literal>mdo</literal> must
963 be distinct (Section 3.3 of the paper).
964 </para></listitem>
965
966 <listitem><para>
967 Similar to let-bindings, GHC implements the segmentation technique described in Section 3.2 of
968 <ulink url="http://sites.google.com/site/leventerkok/">A recursive do for Haskell</ulink>,
969 to break up a single <literal>rec</literal> statement into a sequence of statements with
970 <literal>rec</literal> groups of minimal size.  This 
971 improves polymorphism, reduces the size of the recursive "knot", and, as the paper 
972 describes, also has a semantic effect (unless the monad satisfies the right-shrinking law).
973 </para></listitem>
974 </itemizedlist>
975 </para>
976 </sect3>
977
978 <sect3> <title> Mdo-notation (deprecated) </title>
979
980 <para> GHC used to support the flag <option>-XREecursiveDo</option>,
981 which enabled the keyword <literal>mdo</literal>, precisely as described in
982 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>,
983 but this is now deprecated.  Instead of <literal>mdo { Q; e }</literal>, write
984 <literal>do { rec Q; e }</literal>.
985 </para>
986 <para>
987 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
988 of the existing documents) used the name
989 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
990 This name is not supported by GHC.
991 </para>
992 </sect3>
993
994 </sect2>
995
996
997    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
998
999   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
1000     <title>Parallel List Comprehensions</title>
1001     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
1002     </indexterm>
1003     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
1004     </indexterm>
1005
1006     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
1007     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
1008     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
1009     extend this to include the zipWith family.</para>
1010
1011     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
1012     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
1013     example, the following zips together two lists:</para>
1014
1015 <programlisting>
1016    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
1017 </programlisting>
1018
1019     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
1020     zip, in that the resulting list will have the same length as the
1021     shortest branch.</para>
1022
1023     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
1024     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
1025
1026     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
1027
1028 <programlisting>
1029    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
1030        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
1031        ... 
1032    ] 
1033 </programlisting>
1034
1035     <para>This will be translated to: </para>
1036
1037 <programlisting>
1038    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
1039                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
1040                                          ... 
1041    ] 
1042 </programlisting>
1043
1044     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
1045     branches.</para>
1046
1047   </sect2>
1048   
1049   <!-- ===================== TRANSFORM LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
1050
1051   <sect2 id="generalised-list-comprehensions">
1052     <title>Generalised (SQL-Like) List Comprehensions</title>
1053     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>generalised</secondary>
1054     </indexterm>
1055     <indexterm><primary>extended list comprehensions</primary>
1056     </indexterm>
1057     <indexterm><primary>group</primary></indexterm>
1058     <indexterm><primary>sql</primary></indexterm>
1059
1060
1061     <para>Generalised list comprehensions are a further enhancement to the
1062     list comprehension syntactic sugar to allow operations such as sorting
1063     and grouping which are familiar from SQL.   They are fully described in the
1064         paper <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/list-comp">
1065           Comprehensive comprehensions: comprehensions with "order by" and "group by"</ulink>,
1066     except that the syntax we use differs slightly from the paper.</para>
1067 <para>The extension is enabled with the flag <option>-XTransformListComp</option>.</para>
1068 <para>Here is an example: 
1069 <programlisting>
1070 employees = [ ("Simon", "MS", 80)
1071 , ("Erik", "MS", 100)
1072 , ("Phil", "Ed", 40)
1073 , ("Gordon", "Ed", 45)
1074 , ("Paul", "Yale", 60)]
1075
1076 output = [ (the dept, sum salary)
1077 | (name, dept, salary) &lt;- employees
1078 , then group by dept
1079 , then sortWith by (sum salary)
1080 , then take 5 ]
1081 </programlisting>
1082 In this example, the list <literal>output</literal> would take on 
1083     the value:
1084     
1085 <programlisting>
1086 [("Yale", 60), ("Ed", 85), ("MS", 180)]
1087 </programlisting>
1088 </para>
1089 <para>There are three new keywords: <literal>group</literal>, <literal>by</literal>, and <literal>using</literal>.
1090 (The function <literal>sortWith</literal> is not a keyword; it is an ordinary
1091 function that is exported by <literal>GHC.Exts</literal>.)</para>
1092
1093 <para>There are five new forms of comprehension qualifier,
1094 all introduced by the (existing) keyword <literal>then</literal>:
1095     <itemizedlist>
1096     <listitem>
1097     
1098 <programlisting>
1099 then f
1100 </programlisting>
1101
1102     This statement requires that <literal>f</literal> have the type <literal>
1103     forall a. [a] -> [a]</literal>. You can see an example of its use in the
1104     motivating example, as this form is used to apply <literal>take 5</literal>.
1105     
1106     </listitem>
1107     
1108     
1109     <listitem>
1110 <para>
1111 <programlisting>
1112 then f by e
1113 </programlisting>
1114
1115     This form is similar to the previous one, but allows you to create a function
1116     which will be passed as the first argument to f. As a consequence f must have 
1117     the type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [a]</literal>. As you can see
1118     from the type, this function lets f &quot;project out&quot; some information 
1119     from the elements of the list it is transforming.</para>
1120
1121     <para>An example is shown in the opening example, where <literal>sortWith</literal> 
1122     is supplied with a function that lets it find out the <literal>sum salary</literal> 
1123     for any item in the list comprehension it transforms.</para>
1124
1125     </listitem>
1126
1127
1128     <listitem>
1129
1130 <programlisting>
1131 then group by e using f
1132 </programlisting>
1133
1134     <para>This is the most general of the grouping-type statements. In this form,
1135     f is required to have type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [[a]]</literal>.
1136     As with the <literal>then f by e</literal> case above, the first argument
1137     is a function supplied to f by the compiler which lets it compute e on every
1138     element of the list being transformed. However, unlike the non-grouping case,
1139     f additionally partitions the list into a number of sublists: this means that
1140     at every point after this statement, binders occurring before it in the comprehension
1141     refer to <emphasis>lists</emphasis> of possible values, not single values. To help understand
1142     this, let's look at an example:</para>
1143     
1144 <programlisting>
1145 -- This works similarly to groupWith in GHC.Exts, but doesn't sort its input first
1146 groupRuns :: Eq b => (a -> b) -> [a] -> [[a]]
1147 groupRuns f = groupBy (\x y -> f x == f y)
1148
1149 output = [ (the x, y)
1150 | x &lt;- ([1..3] ++ [1..2])
1151 , y &lt;- [4..6]
1152 , then group by x using groupRuns ]
1153 </programlisting>
1154
1155     <para>This results in the variable <literal>output</literal> taking on the value below:</para>
1156
1157 <programlisting>
1158 [(1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6]), (3, [4, 5, 6]), (1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6])]
1159 </programlisting>
1160
1161     <para>Note that we have used the <literal>the</literal> function to change the type 
1162     of x from a list to its original numeric type. The variable y, in contrast, is left 
1163     unchanged from the list form introduced by the grouping.</para>
1164
1165     </listitem>
1166
1167     <listitem>
1168
1169 <programlisting>
1170 then group by e
1171 </programlisting>
1172
1173     <para>This form of grouping is essentially the same as the one described above. However,
1174     since no function to use for the grouping has been supplied it will fall back on the
1175     <literal>groupWith</literal> function defined in 
1176     <ulink url="../libraries/base/GHC-Exts.html"><literal>GHC.Exts</literal></ulink>. This
1177     is the form of the group statement that we made use of in the opening example.</para>
1178
1179     </listitem>
1180     
1181     
1182     <listitem>
1183
1184 <programlisting>
1185 then group using f
1186 </programlisting>
1187
1188     <para>With this form of the group statement, f is required to simply have the type
1189     <literal>forall a. [a] -> [[a]]</literal>, which will be used to group up the
1190     comprehension so far directly. An example of this form is as follows:</para>
1191     
1192 <programlisting>
1193 output = [ x
1194 | y &lt;- [1..5]
1195 , x &lt;- "hello"
1196 , then group using inits]
1197 </programlisting>
1198
1199     <para>This will yield a list containing every prefix of the word "hello" written out 5 times:</para>
1200
1201 <programlisting>
1202 ["","h","he","hel","hell","hello","helloh","hellohe","hellohel","hellohell","hellohello","hellohelloh",...]
1203 </programlisting>
1204
1205     </listitem>
1206 </itemizedlist>
1207 </para>
1208   </sect2>
1209
1210    <!-- ===================== REBINDABLE SYNTAX ===================  -->
1211
1212 <sect2 id="rebindable-syntax">
1213 <title>Rebindable syntax and the implicit Prelude import</title>
1214
1215  <para><indexterm><primary>-XNoImplicitPrelude
1216  option</primary></indexterm> GHC normally imports
1217  <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
1218  rather it didn't, then give it a
1219  <option>-XNoImplicitPrelude</option> option.  The idea is
1220  that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
1221  call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
1222  namespace is flat, and you must not conflict with any
1223  Prelude module.)</para>
1224
1225             <para>Suppose you are importing a Prelude of your own
1226               in order to define your own numeric class
1227             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
1228             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
1229             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
1230             So the <option>-XNoImplicitPrelude</option> 
1231               flag <emphasis>also</emphasis> causes
1232             the following pieces of built-in syntax to refer to
1233             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
1234             versions:
1235             <itemizedlist>
1236               <listitem>
1237                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
1238                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
1239                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
1240 </para> </listitem>         
1241
1242       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
1243           except that the translation is 
1244               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
1245 </para> </listitem>         
1246
1247           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
1248               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
1249 </para> </listitem>         
1250
1251           <listitem><para>The subtraction operation, and the
1252           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
1253               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
1254               </para></listitem>
1255
1256               <listitem>
1257                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
1258                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
1259                 patterns, and expressions.
1260               </para></listitem>
1261
1262               <listitem>
1263           <para>"Do" notation is translated using whatever
1264               functions <literal>(>>=)</literal>,
1265               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
1266               are in scope (not the Prelude
1267               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
1268               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
1269
1270               <listitem>
1271                 <para>Arrow
1272                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
1273                 uses whatever <literal>arr</literal>,
1274                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
1275                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
1276                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
1277                 other constructs, the types of these functions must match the
1278                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
1279                 to use this, ask!
1280               </para></listitem>
1281             </itemizedlist>
1282 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
1283 even if that is a little unexpected. For example, the 
1284 static semantics of the literal <literal>368</literal>
1285 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
1286 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
1287 <programlisting>
1288 fromInteger :: Integer -> Integer
1289 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
1290 fromInteger :: Num a => a -> Integer
1291 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
1292 </programlisting>
1293 </para>
1294                 
1295              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
1296              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
1297              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
1298              you should be all right.</para>
1299
1300 </sect2>
1301
1302 <sect2 id="postfix-operators">
1303 <title>Postfix operators</title>
1304
1305 <para>
1306   The <option>-XPostfixOperators</option> flag enables a small
1307 extension to the syntax of left operator sections, which allows you to
1308 define postfix operators.  The extension is this: the left section
1309 <programlisting>
1310   (e !)
1311 </programlisting>
1312 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
1313 <programlisting>
1314   ((!) e)
1315 </programlisting>
1316 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
1317 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
1318 <programlisting>
1319   (\y -> (!) e y)
1320 </programlisting>
1321 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
1322 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
1323 postfix.
1324 </para>
1325 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
1326 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
1327
1328 </sect2>
1329
1330 <sect2 id="tuple-sections">
1331 <title>Tuple sections</title>
1332
1333 <para>
1334   The <option>-XTupleSections</option> flag enables Python-style partially applied
1335   tuple constructors. For example, the following program
1336 <programlisting>
1337   (, True)
1338 </programlisting>
1339   is considered to be an alternative notation for the more unwieldy alternative
1340 <programlisting>
1341   \x -> (x, True)
1342 </programlisting>
1343 You can omit any combination of arguments to the tuple, as in the following
1344 <programlisting>
1345   (, "I", , , "Love", , 1337)
1346 </programlisting>
1347 which translates to
1348 <programlisting>
1349   \a b c d -> (a, "I", b, c, "Love", d, 1337)
1350 </programlisting>
1351 </para>
1352
1353 <para>
1354   If you have <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link> enabled, tuple sections
1355   will also be available for them, like so
1356 <programlisting>
1357   (# , True #)
1358 </programlisting>
1359 Because there is no unboxed unit tuple, the following expression
1360 <programlisting>
1361   (# #)
1362 </programlisting>
1363 continues to stand for the unboxed singleton tuple data constructor.
1364 </para>
1365
1366 </sect2>
1367
1368 <sect2 id="disambiguate-fields">
1369 <title>Record field disambiguation</title>
1370 <para>
1371 In record construction and record pattern matching
1372 it is entirely unambiguous which field is referred to, even if there are two different
1373 data types in scope with a common field name.  For example:
1374 <programlisting>
1375 module M where
1376   data S = MkS { x :: Int, y :: Bool }
1377
1378 module Foo where
1379   import M
1380
1381   data T = MkT { x :: Int }
1382   
1383   ok1 (MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1384   ok2 n = MkT { x = n+1 }     -- Unambiguous
1385
1386   bad1 k = k { x = 3 }  -- Ambiguous
1387   bad2 k = x k          -- Ambiguous
1388 </programlisting>
1389 Even though there are two <literal>x</literal>'s in scope,
1390 it is clear that the <literal>x</literal> in the pattern in the
1391 definition of <literal>ok1</literal> can only mean the field
1392 <literal>x</literal> from type <literal>S</literal>. Similarly for
1393 the function <literal>ok2</literal>.  However, in the record update
1394 in <literal>bad1</literal> and the record selection in <literal>bad2</literal>
1395 it is not clear which of the two types is intended.
1396 </para>
1397 <para>
1398 Haskell 98 regards all four as ambiguous, but with the
1399 <option>-XDisambiguateRecordFields</option> flag, GHC will accept
1400 the former two.  The rules are precisely the same as those for instance
1401 declarations in Haskell 98, where the method names on the left-hand side 
1402 of the method bindings in an instance declaration refer unambiguously
1403 to the method of that class (provided they are in scope at all), even
1404 if there are other variables in scope with the same name.
1405 This reduces the clutter of qualified names when you import two
1406 records from different modules that use the same field name.
1407 </para>
1408 <para>
1409 Some details:
1410 <itemizedlist>
1411 <listitem><para>
1412 Field disambiguation can be combined with punning (see <xref linkend="record-puns"/>). For exampe:
1413 <programlisting>
1414 module Foo where
1415   import M
1416   x=True
1417   ok3 (MkS { x }) = x+1   -- Uses both disambiguation and punning
1418 </programlisting>
1419 </para></listitem>
1420
1421 <listitem><para>
1422 With <option>-XDisambiguateRecordFields</option> you can use <emphasis>unqualifed</emphasis>
1423 field names even if the correponding selector is only in scope <emphasis>qualified</emphasis>
1424 For example, assuming the same module <literal>M</literal> as in our earlier example, this is legal:
1425 <programlisting>
1426 module Foo where
1427   import qualified M    -- Note qualified
1428
1429   ok4 (M.MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1430 </programlisting>
1431 Since the constructore <literal>MkS</literal> is only in scope qualified, you must
1432 name it <literal>M.MkS</literal>, but the field <literal>x</literal> does not need
1433 to be qualified even though <literal>M.x</literal> is in scope but <literal>x</literal>
1434 is not.  (In effect, it is qualified by the constructor.)
1435 </para></listitem>
1436 </itemizedlist>
1437 </para>
1438
1439 </sect2>
1440
1441     <!-- ===================== Record puns ===================  -->
1442
1443 <sect2 id="record-puns">
1444 <title>Record puns
1445 </title>
1446
1447 <para>
1448 Record puns are enabled by the flag <literal>-XNamedFieldPuns</literal>.
1449 </para>
1450
1451 <para>
1452 When using records, it is common to write a pattern that binds a
1453 variable with the same name as a record field, such as:
1454
1455 <programlisting>
1456 data C = C {a :: Int}
1457 f (C {a = a}) = a
1458 </programlisting>
1459 </para>
1460
1461 <para>
1462 Record punning permits the variable name to be elided, so one can simply
1463 write
1464
1465 <programlisting>
1466 f (C {a}) = a
1467 </programlisting>
1468
1469 to mean the same pattern as above.  That is, in a record pattern, the
1470 pattern <literal>a</literal> expands into the pattern <literal>a =
1471 a</literal> for the same name <literal>a</literal>.  
1472 </para>
1473
1474 <para>
1475 Note that:
1476 <itemizedlist>
1477 <listitem><para>
1478 Record punning can also be used in an expression, writing, for example,
1479 <programlisting>
1480 let a = 1 in C {a}
1481 </programlisting>
1482 instead of 
1483 <programlisting>
1484 let a = 1 in C {a = a}
1485 </programlisting>
1486 The expansion is purely syntactic, so the expanded right-hand side
1487 expression refers to the nearest enclosing variable that is spelled the
1488 same as the field name.
1489 </para></listitem>
1490
1491 <listitem><para>
1492 Puns and other patterns can be mixed in the same record:
1493 <programlisting>
1494 data C = C {a :: Int, b :: Int}
1495 f (C {a, b = 4}) = a
1496 </programlisting>
1497 </para></listitem>
1498
1499 <listitem><para>
1500 Puns can be used wherever record patterns occur (e.g. in
1501 <literal>let</literal> bindings or at the top-level).  
1502 </para></listitem>
1503
1504 <listitem><para>
1505 A pun on a qualified field name is expanded by stripping off the module qualifier.
1506 For example:
1507 <programlisting>
1508 f (C {M.a}) = a
1509 </programlisting>
1510 means
1511 <programlisting>
1512 f (M.C {M.a = a}) = a
1513 </programlisting>
1514 (This is useful if the field selector <literal>a</literal> for constructor <literal>M.C</literal>
1515 is only in scope in qualified form.)
1516 </para></listitem>
1517 </itemizedlist>
1518 </para>
1519
1520
1521 </sect2>
1522
1523     <!-- ===================== Record wildcards ===================  -->
1524
1525 <sect2 id="record-wildcards">
1526 <title>Record wildcards
1527 </title>
1528
1529 <para>
1530 Record wildcards are enabled by the flag <literal>-XRecordWildCards</literal>.
1531 This flag implies <literal>-XDisambiguateRecordFields</literal>.
1532 </para>
1533
1534 <para>
1535 For records with many fields, it can be tiresome to write out each field
1536 individually in a record pattern, as in
1537 <programlisting>
1538 data C = C {a :: Int, b :: Int, c :: Int, d :: Int}
1539 f (C {a = 1, b = b, c = c, d = d}) = b + c + d
1540 </programlisting>
1541 </para>
1542
1543 <para>
1544 Record wildcard syntax permits a "<literal>..</literal>" in a record
1545 pattern, where each elided field <literal>f</literal> is replaced by the
1546 pattern <literal>f = f</literal>.  For example, the above pattern can be
1547 written as
1548 <programlisting>
1549 f (C {a = 1, ..}) = b + c + d
1550 </programlisting>
1551 </para>
1552
1553 <para>
1554 More details:
1555 <itemizedlist>
1556 <listitem><para>
1557 Wildcards can be mixed with other patterns, including puns
1558 (<xref linkend="record-puns"/>); for example, in a pattern <literal>C {a
1559 = 1, b, ..})</literal>.  Additionally, record wildcards can be used
1560 wherever record patterns occur, including in <literal>let</literal>
1561 bindings and at the top-level.  For example, the top-level binding
1562 <programlisting>
1563 C {a = 1, ..} = e
1564 </programlisting>
1565 defines <literal>b</literal>, <literal>c</literal>, and
1566 <literal>d</literal>.
1567 </para></listitem>
1568
1569 <listitem><para>
1570 Record wildcards can also be used in expressions, writing, for example,
1571 <programlisting>
1572 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {..}
1573 </programlisting>
1574 in place of
1575 <programlisting>
1576 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {a=a, b=b, c=c, d=d}
1577 </programlisting>
1578 The expansion is purely syntactic, so the record wildcard
1579 expression refers to the nearest enclosing variables that are spelled
1580 the same as the omitted field names.
1581 </para></listitem>
1582
1583 <listitem><para>
1584 The "<literal>..</literal>" expands to the missing 
1585 <emphasis>in-scope</emphasis> record fields, where "in scope"
1586 includes both unqualified and qualified-only.  
1587 Any fields that are not in scope are not filled in.  For example
1588 <programlisting>
1589 module M where
1590   data R = R { a,b,c :: Int }
1591 module X where
1592   import qualified M( R(a,b) )
1593   f a b = R { .. }
1594 </programlisting>
1595 The <literal>{..}</literal> expands to <literal>{M.a=a,M.b=b}</literal>,
1596 omitting <literal>c</literal> since it is not in scope at all.
1597 </para></listitem>
1598 </itemizedlist>
1599 </para>
1600
1601 </sect2>
1602
1603     <!-- ===================== Local fixity declarations ===================  -->
1604
1605 <sect2 id="local-fixity-declarations">
1606 <title>Local Fixity Declarations
1607 </title>
1608
1609 <para>A careful reading of the Haskell 98 Report reveals that fixity
1610 declarations (<literal>infix</literal>, <literal>infixl</literal>, and
1611 <literal>infixr</literal>) are permitted to appear inside local bindings
1612 such those introduced by <literal>let</literal> and
1613 <literal>where</literal>.  However, the Haskell Report does not specify
1614 the semantics of such bindings very precisely.
1615 </para>
1616
1617 <para>In GHC, a fixity declaration may accompany a local binding:
1618 <programlisting>
1619 let f = ...
1620     infixr 3 `f`
1621 in 
1622     ...
1623 </programlisting>
1624 and the fixity declaration applies wherever the binding is in scope.
1625 For example, in a <literal>let</literal>, it applies in the right-hand
1626 sides of other <literal>let</literal>-bindings and the body of the
1627 <literal>let</literal>C. Or, in recursive <literal>do</literal>
1628 expressions (<xref linkend="mdo-notation"/>), the local fixity
1629 declarations of a <literal>let</literal> statement scope over other
1630 statements in the group, just as the bound name does.
1631 </para>
1632
1633 <para>
1634 Moreover, a local fixity declaration *must* accompany a local binding of
1635 that name: it is not possible to revise the fixity of name bound
1636 elsewhere, as in
1637 <programlisting>
1638 let infixr 9 $ in ...
1639 </programlisting>
1640
1641 Because local fixity declarations are technically Haskell 98, no flag is
1642 necessary to enable them.
1643 </para>
1644 </sect2>
1645
1646 <sect2 id="package-imports">
1647   <title>Package-qualified imports</title>
1648
1649   <para>With the <option>-XPackageImports</option> flag, GHC allows
1650   import declarations to be qualified by the package name that the
1651     module is intended to be imported from.  For example:</para>
1652
1653 <programlisting>
1654 import "network" Network.Socket
1655 </programlisting>
1656   
1657   <para>would import the module <literal>Network.Socket</literal> from
1658     the package <literal>network</literal> (any version).  This may
1659     be used to disambiguate an import when the same module is
1660     available from multiple packages, or is present in both the
1661     current package being built and an external package.</para>
1662
1663   <para>Note: you probably don't need to use this feature, it was
1664     added mainly so that we can build backwards-compatible versions of
1665     packages when APIs change.  It can lead to fragile dependencies in
1666     the common case: modules occasionally move from one package to
1667     another, rendering any package-qualified imports broken.</para>
1668 </sect2>
1669
1670 <sect2 id="syntax-stolen">
1671 <title>Summary of stolen syntax</title>
1672
1673     <para>Turning on an option that enables special syntax
1674     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
1675     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
1676     become a reserved word.  This section lists the syntax that is
1677     "stolen" by language extensions.
1678      We use
1679     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
1680     (see the Haskell 98 Report).  
1681     We only list syntax changes here that might affect
1682     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
1683     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
1684     cases programs written to use the new syntax would not be
1685     compilable without the option enabled.</para>
1686
1687 <para>There are two classes of special
1688     syntax:
1689
1690     <itemizedlist>
1691       <listitem>
1692         <para>New reserved words and symbols: character sequences
1693         which are no longer available for use as identifiers in the
1694         program.</para>
1695       </listitem>
1696       <listitem>
1697         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
1698         a different meaning when this particular option is turned
1699         on.</para>
1700       </listitem>
1701     </itemizedlist>
1702     
1703 The following syntax is stolen:
1704
1705     <variablelist>
1706       <varlistentry>
1707         <term>
1708           <literal>forall</literal>
1709           <indexterm><primary><literal>forall</literal></primary></indexterm>
1710         </term>
1711         <listitem><para>
1712         Stolen (in types) by: <option>-XExplicitForAll</option>, and hence by
1713             <option>-XScopedTypeVariables</option>,
1714             <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
1715             <option>-XRank2Types</option>,
1716             <option>-XRankNTypes</option>,
1717             <option>-XPolymorphicComponents</option>,
1718             <option>-XExistentialQuantification</option>
1719           </para></listitem>
1720       </varlistentry>
1721
1722       <varlistentry>
1723         <term>
1724           <literal>mdo</literal>
1725           <indexterm><primary><literal>mdo</literal></primary></indexterm>
1726         </term>
1727         <listitem><para>
1728         Stolen by: <option>-XRecursiveDo</option>,
1729           </para></listitem>
1730       </varlistentry>
1731
1732       <varlistentry>
1733         <term>
1734           <literal>foreign</literal>
1735           <indexterm><primary><literal>foreign</literal></primary></indexterm>
1736         </term>
1737         <listitem><para>
1738         Stolen by: <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
1739           </para></listitem>
1740       </varlistentry>
1741
1742       <varlistentry>
1743         <term>
1744           <literal>rec</literal>,
1745           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
1746           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
1747           <literal>&gt;&gt;-</literal>, and <literal>(|</literal>,
1748           <literal>|)</literal> brackets
1749           <indexterm><primary><literal>proc</literal></primary></indexterm>
1750         </term>
1751         <listitem><para>
1752         Stolen by: <option>-XArrows</option>,
1753           </para></listitem>
1754       </varlistentry>
1755
1756       <varlistentry>
1757         <term>
1758           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
1759           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>
1760           <indexterm><primary>implicit parameters</primary></indexterm>
1761         </term>
1762         <listitem><para>
1763         Stolen by: <option>-XImplicitParams</option>,
1764           </para></listitem>
1765       </varlistentry>
1766
1767       <varlistentry>
1768         <term>
1769           <literal>[|</literal>,
1770           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
1771           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
1772           <literal>$(</literal>,
1773           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>
1774           <indexterm><primary>Template Haskell</primary></indexterm>
1775         </term>
1776         <listitem><para>
1777         Stolen by: <option>-XTemplateHaskell</option>,
1778           </para></listitem>
1779       </varlistentry>
1780
1781       <varlistentry>
1782         <term>
1783           <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>|</literal>
1784           <indexterm><primary>quasi-quotation</primary></indexterm>
1785         </term>
1786         <listitem><para>
1787         Stolen by: <option>-XQuasiQuotes</option>,
1788           </para></listitem>
1789       </varlistentry>
1790
1791       <varlistentry>
1792         <term>
1793               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
1794               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
1795               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1796               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1797               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1798               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
1799               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
1800         </term>
1801         <listitem><para>
1802         Stolen by: <option>-XMagicHash</option>,
1803           </para></listitem>
1804       </varlistentry>
1805     </variablelist>
1806 </para>
1807 </sect2>
1808 </sect1>
1809
1810
1811 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
1812 <sect1 id="data-type-extensions">
1813 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
1814
1815 <sect2 id="nullary-types">
1816 <title>Data types with no constructors</title>
1817
1818 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
1819 a data type with no constructors.  For example:</para>
1820
1821 <programlisting>
1822   data S      -- S :: *
1823   data T a    -- T :: * -> *
1824 </programlisting>
1825
1826 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
1827 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
1828 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
1829 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
1830
1831 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
1832 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
1833 </sect2>
1834
1835 <sect2 id="infix-tycons">
1836 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
1837
1838 <para>
1839 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
1840 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
1841 <itemizedlist>
1842 <listitem><para>
1843   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
1844   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
1845   </para></listitem>
1846 <listitem><para>
1847   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
1848   if you want further arguments.  E.g.
1849 <screen>
1850   data a :*: b = Foo a b
1851   type a :+: b = Either a b
1852   class a :=: b where ...
1853
1854   data (a :**: b) x = Baz a b x
1855   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
1856 </screen>
1857   </para></listitem>
1858 <listitem><para>
1859   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
1860   <screen>
1861         x :: Int :*: Bool
1862         f :: (a :=: b) => a -> b
1863   </screen>
1864   </para></listitem>
1865 <listitem><para>
1866   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1867   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1868   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1869   parenthesised.  For example:
1870 <programlisting>
1871    type T (+) = Int + Int
1872    f :: T Either
1873    f = Left 3
1874  
1875    liftA2 :: Arrow (~>)
1876           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1877    liftA2 = ...
1878 </programlisting>
1879   </para></listitem>
1880 <listitem><para>
1881   Back-quotes work
1882   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1883   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1884   </para></listitem>
1885 <listitem><para>
1886   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1887   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1888   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1889 <screen>
1890   infixl 7 T, :*:
1891 </screen>
1892   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1893   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1894   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1895   </para></listitem>
1896 <listitem><para>
1897   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1898   </para></listitem>
1899
1900 </itemizedlist>
1901 </para>
1902 </sect2>
1903
1904 <sect2 id="type-synonyms">
1905 <title>Liberalised type synonyms</title>
1906
1907 <para>
1908 Type synonyms are like macros at the type level, but Haskell 98 imposes many rules
1909 on individual synonym declarations.
1910 With the <option>-XLiberalTypeSynonyms</option> extension,
1911 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1912 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98. 
1913
1914 <itemizedlist>
1915 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1916 in a type synonym, thus:
1917 <programlisting>
1918   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1919
1920   f :: Discard a
1921   f x y = (x, show y)
1922
1923   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1924   g f = f 3 True
1925 </programlisting>
1926 </para>
1927 </listitem>
1928
1929 <listitem><para>
1930 If you also use <option>-XUnboxedTuples</option>, 
1931 you can write an unboxed tuple in a type synonym:
1932 <programlisting>
1933   type Pr = (# Int, Int #)
1934
1935   h :: Int -> Pr
1936   h x = (# x, x #)
1937 </programlisting>
1938 </para></listitem>
1939
1940 <listitem><para>
1941 You can apply a type synonym to a forall type:
1942 <programlisting>
1943   type Foo a = a -> a -> Bool
1944  
1945   f :: Foo (forall b. b->b)
1946 </programlisting>
1947 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1948 <programlisting>
1949   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1950 </programlisting>
1951 </para></listitem>
1952
1953 <listitem><para>
1954 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1955 <programlisting>
1956   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1957   type Id x = x
1958   
1959   foo :: Generic Id []
1960 </programlisting>
1961 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1962 <programlisting>
1963   foo :: forall x. x -> [x]
1964 </programlisting>
1965 </para></listitem>
1966
1967 </itemizedlist>
1968 </para>
1969
1970 <para>
1971 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1972 could be changed.)
1973 </para>
1974 <para>
1975 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1976 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1977 <itemizedlist>
1978 <listitem><para>
1979 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1980 </para></listitem>
1981 <listitem><para>
1982 Unboxed tuple on left of an arrow.
1983 </para></listitem>
1984 <listitem><para>
1985 Partially-applied type synonym.
1986 </para></listitem>
1987 </itemizedlist>
1988 So, for example,
1989 this will be rejected:
1990 <programlisting>
1991   type Pr = (# Int, Int #)
1992
1993   h :: Pr -> Int
1994   h x = ...
1995 </programlisting>
1996 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1997 </para>
1998 </sect2>
1999
2000
2001 <sect2 id="existential-quantification">
2002 <title>Existentially quantified data constructors
2003 </title>
2004
2005 <para>
2006 The idea of using existential quantification in data type declarations
2007 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
2008 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
2009 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
2010 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
2011 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
2012 It's been in Lennart
2013 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
2014 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2015 </para>
2016
2017 <para>
2018
2019 <programlisting>
2020   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2021            | Nil
2022 </programlisting>
2023
2024 </para>
2025
2026 <para>
2027 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2028 </para>
2029
2030 <para>
2031
2032 <programlisting>
2033   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2034   Nil   :: Foo
2035 </programlisting>
2036
2037 </para>
2038
2039 <para>
2040 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2041 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2042 For example, the following expression is fine:
2043 </para>
2044
2045 <para>
2046
2047 <programlisting>
2048   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2049 </programlisting>
2050
2051 </para>
2052
2053 <para>
2054 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2055 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2056 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2057 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2058 </para>
2059
2060 <para>
2061 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2062 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2063 </para>
2064
2065 <para>
2066
2067 <programlisting>
2068   f (MkFoo val fn) = ???
2069 </programlisting>
2070
2071 </para>
2072
2073 <para>
2074 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2075 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2076 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2077 </para>
2078
2079 <para>
2080
2081 <programlisting>
2082   f :: Foo -> Bool
2083   f (MkFoo val fn) = fn val
2084 </programlisting>
2085
2086 </para>
2087
2088 <para>
2089 What this allows us to do is to package heterogeneous values
2090 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2091 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2092 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2093 </para>
2094
2095 <sect3 id="existential">
2096 <title>Why existential?
2097 </title>
2098
2099 <para>
2100 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2101 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2102 </para>
2103
2104 <para>
2105
2106 <programlisting>
2107   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2108 </programlisting>
2109
2110 </para>
2111
2112 <para>
2113 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2114 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2115 adding a new existential quantification construct.
2116 </para>
2117
2118 </sect3>
2119
2120 <sect3 id="existential-with-context">
2121 <title>Existentials and type classes</title>
2122
2123 <para>
2124 An easy extension is to allow
2125 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2126 </para>
2127
2128 <para>
2129
2130 <programlisting>
2131 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2132          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2133 </programlisting>
2134
2135 </para>
2136
2137 <para>
2138 The two constructors have the types you'd expect:
2139 </para>
2140
2141 <para>
2142
2143 <programlisting>
2144 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2145 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2146 </programlisting>
2147
2148 </para>
2149
2150 <para>
2151 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2152 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2153 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2154 So this program is legal:
2155 </para>
2156
2157 <para>
2158
2159 <programlisting>
2160   f :: Baz -> String
2161   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2162                | otherwise = "No"
2163   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2164 </programlisting>
2165
2166 </para>
2167
2168 <para>
2169 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2170 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2171 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2172 extract it on pattern matching.
2173 </para>
2174
2175 </sect3>
2176
2177 <sect3 id="existential-records">
2178 <title>Record Constructors</title>
2179
2180 <para>
2181 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
2182
2183 <programlisting>
2184 data Counter a = forall self. NewCounter
2185     { _this    :: self
2186     , _inc     :: self -> self
2187     , _display :: self -> IO ()
2188     , tag      :: a
2189     }
2190 </programlisting>
2191 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
2192 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
2193 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
2194 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
2195 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
2196 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
2197 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
2198 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
2199 </para>
2200
2201 <para>
2202 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
2203
2204 <programlisting>
2205 inc :: Counter a -> Counter a
2206 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
2207     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
2208
2209 display :: Counter a -> IO ()
2210 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
2211 </programlisting>
2212
2213 Now we can define counters with different underlying implementations:
2214
2215 <programlisting>
2216 counterA :: Counter String 
2217 counterA = NewCounter
2218     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
2219
2220 counterB :: Counter String 
2221 counterB = NewCounter
2222     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
2223
2224 main = do
2225     display (inc counterA)         -- prints "1"
2226     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
2227 </programlisting>
2228
2229 Record update syntax is supported for existentials (and GADTs):
2230 <programlisting>
2231 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
2232 setTag obj t = obj{ tag = t }
2233 </programlisting>
2234 The rule for record update is this: <emphasis>
2235 the types of the updated fields may
2236 mention only the universally-quantified type variables
2237 of the data constructor.  For GADTs, the field may mention only types
2238 that appear as a simple type-variable argument in the constructor's result
2239 type</emphasis>.  For example:
2240 <programlisting>
2241 data T a b where { T1 { f1::a, f2::b, f3::(b,c) } :: T a b } -- c is existential
2242 upd1 t x = t { f1=x }   -- OK:   upd1 :: T a b -> a' -> T a' b
2243 upd2 t x = t { f3=x }   -- BAD   (f3's type mentions c, which is
2244                         --        existentially quantified)
2245
2246 data G a b where { G1 { g1::a, g2::c } :: G a [c] }
2247 upd3 g x = g { g1=x }   -- OK:   upd3 :: G a b -> c -> G c b
2248 upd4 g x = g { g2=x }   -- BAD (f2's type mentions c, which is not a simple
2249                         --      type-variable argument in G1's result type)
2250 </programlisting>
2251 </para>
2252
2253 </sect3>
2254
2255
2256 <sect3>
2257 <title>Restrictions</title>
2258
2259 <para>
2260 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2261 constructors can be use.
2262 </para>
2263
2264 <para>
2265
2266 <itemizedlist>
2267 <listitem>
2268
2269 <para>
2270  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2271 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2272 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2273 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2274
2275
2276 <programlisting>
2277 f1 (MkFoo a f) = a
2278 </programlisting>
2279
2280
2281 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2282 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2283 ask what type <function>f1</function> has:
2284
2285
2286 <programlisting>
2287   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2288 </programlisting>
2289
2290
2291 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2292 this:
2293
2294
2295 <programlisting>
2296   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2297 </programlisting>
2298
2299
2300 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2301
2302
2303 <programlisting>
2304   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2305 </programlisting>
2306
2307
2308 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2309 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2310 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2311
2312
2313 </para>
2314 </listitem>
2315 <listitem>
2316
2317 <para>
2318 You can't pattern-match on an existentially quantified
2319 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2320 bindings. So this is illegal:
2321
2322
2323 <programlisting>
2324   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2325 </programlisting>
2326
2327 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2328
2329 <programlisting>
2330   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2331 </programlisting>
2332
2333 In general, you can only pattern-match
2334 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2335 in the patterns of a function definition.
2336
2337 The reason for this restriction is really an implementation one.
2338 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2339 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2340 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2341 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2342 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2343 annoying it is.
2344
2345 </para>
2346 </listitem>
2347 <listitem>
2348
2349 <para>
2350 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2351 declarations.  So this is illegal:
2352
2353
2354 <programlisting>
2355   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2356 </programlisting>
2357
2358
2359 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
2360 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
2361 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
2362 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
2363 You can get just the same efficiency and effect by using
2364 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
2365 there is no overloading involved, then there is more of a case for
2366 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
2367 because the <literal>data</literal> version does carry an
2368 implementation cost, but single-field existentially quantified
2369 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
2370 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
2371 are convincing reasons to change it.
2372
2373
2374 </para>
2375 </listitem>
2376 <listitem>
2377
2378 <para>
2379  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2380 data type with existentially quantified data constructors.
2381
2382 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
2383
2384 <programlisting>
2385 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2386 </programlisting>
2387
2388 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2389 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2390
2391 <programlisting>
2392 instance Eq T where
2393   (MkT a) == (MkT b) = ???
2394 </programlisting>
2395
2396 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
2397 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2398 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2399 declarations.  Define your own instances!
2400 </para>
2401 </listitem>
2402
2403 </itemizedlist>
2404
2405 </para>
2406
2407 </sect3>
2408 </sect2>
2409
2410 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
2411
2412 <sect2 id="gadt-style">
2413 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
2414
2415 <para>GHC allows you to declare an algebraic data type by 
2416 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
2417 <programlisting>
2418   data Maybe a where
2419       Nothing :: Maybe a
2420       Just    :: a -> Maybe a
2421 </programlisting>
2422 The form is called a "GADT-style declaration"
2423 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
2424 can only be declared using this form.</para>
2425 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
2426 For example, these two declarations are equivalent:
2427 <programlisting>
2428   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2429   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
2430 </programlisting>
2431 </para>
2432 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
2433 can also be declared using GADT-style syntax.
2434 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
2435 they treat class constraints on the data constructors differently.
2436 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
2437 context is made available by pattern matching.  For example:
2438 <programlisting>
2439   data Set a where
2440     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
2441
2442   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
2443   makeSet xs = MkSet (nub xs)
2444
2445   insert :: a -> Set a -> Set a
2446   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
2447                       | otherwise   = MkSet (a:as)
2448 </programlisting>
2449 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
2450 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
2451 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
2452 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
2453 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
2454 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
2455 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
2456 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
2457 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
2458 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
2459 </para>
2460 <para>
2461 For example, one possible application is to reify dictionaries:
2462 <programlisting>
2463    data NumInst a where
2464      MkNumInst :: Num a => NumInst a
2465
2466    intInst :: NumInst Int
2467    intInst = MkNumInst
2468
2469    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
2470    plus MkNumInst p q = p + q
2471 </programlisting>
2472 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
2473 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
2474 </para>
2475 <para>
2476 All this applies to constructors declared using the syntax of <xref linkend="existential-with-context"/>.
2477 For example, the <literal>NumInst</literal> data type above could equivalently be declared 
2478 like this:
2479 <programlisting>
2480    data NumInst a 
2481       = Num a => MkNumInst (NumInst a)
2482 </programlisting>
2483 Notice that, unlike the situation when declaring an existential, there is 
2484 no <literal>forall</literal>, because the <literal>Num</literal> constrains the
2485 data type's universally quantified type variable <literal>a</literal>.  
2486 A constructor may have both universal and existential type variables: for example,
2487 the following two declarations are equivalent:
2488 <programlisting>
2489    data T1 a 
2490         = forall b. (Num a, Eq b) => MkT1 a b
2491    data T2 a where
2492         MkT2 :: (Num a, Eq b) => a -> b -> T2 a
2493 </programlisting>
2494 </para>
2495 <para>All this behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treatment of 
2496 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
2497 In Haskell 98 the definition
2498 <programlisting>
2499   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
2500 </programlisting>
2501 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
2502 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
2503 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
2504 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
2505 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.
2506 </para>
2507
2508 <para>
2509 The rest of this section gives further details about GADT-style data
2510 type declarations.
2511
2512 <itemizedlist>
2513 <listitem><para>
2514 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
2515 If the result type of all constructors 
2516 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
2517 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
2518 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
2519 </para></listitem>
2520
2521 <listitem><para>
2522 As with other type signatures, you can give a single signature for several data constructors.
2523 In this example we give a single signature for <literal>T1</literal> and <literal>T2</literal>:
2524 <programlisting>
2525   data T a where
2526     T1,T2 :: a -> T a
2527     T3 :: T a
2528 </programlisting>
2529 </para></listitem>
2530
2531 <listitem><para>
2532 The type signature of
2533 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
2534 In particular, the type variable(s) in the "<literal>data T a where</literal>" header 
2535 have no scope, and different constructors may have different universally-quantified type variables:
2536 <programlisting>
2537   data T a where        -- The 'a' has no scope
2538     T1,T2 :: b -> T b   -- Means forall b. b -> T b
2539     T3 :: T a           -- Means forall a. T a
2540 </programlisting>
2541 </para></listitem>
2542
2543 <listitem><para>
2544 A constructor signature may mention type class constraints, which can differ for
2545 different constructors.  For example, this is fine:
2546 <programlisting>
2547   data T a where
2548     T1 :: Eq b => b -> b -> T b
2549     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
2550 </programlisting>
2551 When patten matching, these constraints are made available to discharge constraints
2552 in the body of the match. For example:
2553 <programlisting>
2554   f :: T a -> String
2555   f (T1 x y) | x==y      = "yes"
2556              | otherwise = "no"
2557   f (T2 a b)             = show a
2558 </programlisting>
2559 Note that <literal>f</literal> is not overloaded; the <literal>Eq</literal> constraint arising
2560 from the use of <literal>==</literal> is discharged by the pattern match on <literal>T1</literal>
2561 and similarly the <literal>Show</literal> constraint arising from the use of <literal>show</literal>.
2562 </para></listitem>
2563
2564 <listitem><para>
2565 Unlike a Haskell-98-style 
2566 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
2567 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
2568 <programlisting>
2569   data Set :: * -> * where ...
2570 </programlisting>
2571 or even a mixture of the two:
2572 <programlisting>
2573   data Bar a :: (* -> *) -> * where ...
2574 </programlisting>
2575 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
2576 like this:
2577 <programlisting>
2578   data Bar a (b :: * -> *) where ...
2579 </programlisting>
2580 </para></listitem>
2581
2582
2583 <listitem><para>
2584 You can use strictness annotations, in the obvious places
2585 in the constructor type:
2586 <programlisting>
2587   data Term a where
2588       Lit    :: !Int -> Term Int
2589       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
2590       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2591 </programlisting>
2592 </para></listitem>
2593
2594 <listitem><para>
2595 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
2596 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
2597 <programlisting>
2598   data Maybe1 a where {
2599       Nothing1 :: Maybe1 a ;
2600       Just1    :: a -> Maybe1 a
2601     } deriving( Eq, Ord )
2602
2603   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
2604        deriving( Eq, Ord )
2605 </programlisting>
2606 </para></listitem>
2607
2608 <listitem><para>
2609 The type signature may have quantified type variables that do not appear
2610 in the result type:
2611 <programlisting>
2612   data Foo where
2613      MkFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo
2614      Nil   :: Foo
2615 </programlisting>
2616 Here the type variable <literal>a</literal> does not appear in the result type
2617 of either constructor.  
2618 Although it is universally quantified in the type of the constructor, such
2619 a type variable is often called "existential".  
2620 Indeed, the above declaration declares precisely the same type as 
2621 the <literal>data Foo</literal> in <xref linkend="existential-quantification"/>.
2622 </para><para>
2623 The type may contain a class context too, of course:
2624 <programlisting>
2625   data Showable where
2626     MkShowable :: Show a => a -> Showable
2627 </programlisting>
2628 </para></listitem>
2629
2630 <listitem><para>
2631 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
2632
2633 <programlisting>
2634   data Person where
2635       Adult :: { name :: String, children :: [Person] } -> Person
2636       Child :: Show a => { name :: !String, funny :: a } -> Person
2637 </programlisting>
2638 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
2639 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
2640 The <literal>Child</literal> constructor above shows that the signature
2641 may have a context, existentially-quantified variables, and strictness annotations, 
2642 just as in the non-record case.  (NB: the "type" that follows the double-colon
2643 is not really a type, because of the record syntax and strictness annotations.
2644 A "type" of this form can appear only in a constructor signature.)
2645 </para></listitem>
2646
2647 <listitem><para> 
2648 Record updates are allowed with GADT-style declarations, 
2649 only fields that have the following property: the type of the field
2650 mentions no existential type variables.
2651 </para></listitem>
2652
2653 <listitem><para> 
2654 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
2655 (<xref linkend="existential-records"/>),
2656 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
2657 selectors.  
2658 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
2659 <programlisting>
2660 data Counter a where
2661     NewCounter { _this    :: self
2662                , _inc     :: self -> self
2663                , _display :: self -> IO ()
2664                , tag      :: a
2665                }
2666         :: Counter a
2667 </programlisting>
2668 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
2669 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
2670 </para></listitem>
2671 </itemizedlist></para>
2672 </sect2>
2673
2674 <sect2 id="gadt">
2675 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
2676
2677 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
2678 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
2679 <programlisting>
2680   data Term a where
2681       Lit    :: Int -> Term Int
2682       Succ   :: Term Int -> Term Int
2683       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
2684       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
2685       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2686 </programlisting>
2687 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
2688 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
2689 write a well-typed <literal>eval</literal> function
2690 for these <literal>Terms</literal>:
2691 <programlisting>
2692   eval :: Term a -> a
2693   eval (Lit i)      = i
2694   eval (Succ t)     = 1 + eval t
2695   eval (IsZero t)   = eval t == 0
2696   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
2697   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
2698 </programlisting>
2699 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
2700 For example, in the right hand side of the equation
2701 <programlisting>
2702   eval :: Term a -> a
2703   eval (Lit i) =  ...
2704 </programlisting>
2705 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
2706 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
2707 but the design closely follows that described in
2708 the paper <ulink
2709 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/">Simple
2710 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
2711 (ICFP 2006).
2712 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
2713 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
2714 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
2715 and lots of obscure error messages will
2716 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
2717 <programlisting>
2718   eval :: Term a -> a -> a
2719   eval (Lit i) j =  i+j
2720 </programlisting>
2721 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
2722 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
2723 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
2724 </para>
2725 <para>
2726 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
2727 Tim Sheard. There is a longer introduction
2728 <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
2729 and Ralf Hinze's
2730 <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
2731 may use different notation to that implemented in GHC.
2732 </para>
2733 <para>
2734 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs.   The extension is enabled with 
2735 <option>-XGADTs</option>.  The <option>-XGADTs</option> flag also sets <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
2736 <itemizedlist>
2737 <listitem><para>
2738 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
2739 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
2740 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
2741 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
2742 For example, in the <literal>Term</literal> data
2743 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
2744 the <literal>ty</literal> need not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
2745 constructor).
2746 </para></listitem>
2747
2748 <listitem><para>
2749 It is permitted to declare an ordinary algebraic data type using GADT-style syntax.
2750 What makes a GADT into a GADT is not the syntax, but rather the presence of data constructors
2751 whose result type is not just <literal>T a b</literal>.
2752 </para></listitem>
2753
2754 <listitem><para>
2755 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
2756 an ordinary data type.
2757 </para></listitem>
2758
2759 <listitem><para>
2760 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
2761 For example:
2762 <programlisting>
2763   data Term a where
2764       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
2765       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
2766       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
2767       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
2768       Pair   { arg1 :: Term a
2769              , arg2 :: Term b
2770              }                    :: Term (a,b)
2771       If     { cnd  :: Term Bool
2772              , tru  :: Term a
2773              , fls  :: Term a
2774              }                    :: Term a
2775 </programlisting>
2776 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
2777 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
2778 the same result type (modulo alpha conversion)
2779 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
2780 and <literal>arg</literal> fields above into a 
2781 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
2782 their selector functions actually have different types:
2783
2784 <programlisting>
2785   num :: Term Int -> Term Int
2786   arg :: Term Bool -> Term Int
2787 </programlisting>
2788 </para></listitem>
2789
2790 <listitem><para>
2791 When pattern-matching against data constructors drawn from a GADT, 
2792 for example in a <literal>case</literal> expression, the following rules apply:
2793 <itemizedlist>
2794 <listitem><para>The type of the scrutinee must be rigid.</para></listitem>
2795 <listitem><para>The type of the entire <literal>case</literal> expression must be rigid.</para></listitem>
2796 <listitem><para>The type of any free variable mentioned in any of
2797 the <literal>case</literal> alternatives must be rigid.</para></listitem>
2798 </itemizedlist>
2799 A type is "rigid" if it is completely known to the compiler at its binding site.  The easiest
2800 way to ensure that a variable a rigid type is to give it a type signature.
2801 For more precise details see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt">
2802 Simple unification-based type inference for GADTs
2803 </ulink>. The criteria implemented by GHC are given in the Appendix.
2804
2805 </para></listitem>
2806
2807 </itemizedlist>
2808 </para>
2809
2810 </sect2>
2811 </sect1>
2812
2813 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
2814
2815 <sect1 id="deriving">
2816 <title>Extensions to the "deriving" mechanism</title>
2817
2818 <sect2 id="deriving-inferred">
2819 <title>Inferred context for deriving clauses</title>
2820
2821 <para>
2822 The Haskell Report is vague about exactly when a <literal>deriving</literal> clause is
2823 legal.  For example:
2824 <programlisting>
2825   data T0 f a = MkT0 a         deriving( Eq )
2826   data T1 f a = MkT1 (f a)     deriving( Eq )
2827   data T2 f a = MkT2 (f (f a)) deriving( Eq )
2828 </programlisting>
2829 The natural generated <literal>Eq</literal> code would result in these instance declarations:
2830 <programlisting>
2831   instance Eq a         => Eq (T0 f a) where ...
2832   instance Eq (f a)     => Eq (T1 f a) where ...
2833   instance Eq (f (f a)) => Eq (T2 f a) where ...
2834 </programlisting>
2835 The first of these is obviously fine. The second is still fine, although less obviously. 
2836 The third is not Haskell 98, and risks losing termination of instances.
2837 </para>
2838 <para>
2839 GHC takes a conservative position: it accepts the first two, but not the third.  The  rule is this:
2840 each constraint in the inferred instance context must consist only of type variables, 
2841 with no repetitions.
2842 </para>
2843 <para>
2844 This rule is applied regardless of flags.  If you want a more exotic context, you can write
2845 it yourself, using the <link linkend="stand-alone-deriving">standalone deriving mechanism</link>.
2846 </para>
2847 </sect2>
2848
2849 <sect2 id="stand-alone-deriving">
2850 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
2851
2852 <para>
2853 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-XStandaloneDeriving</literal>:
2854 <programlisting>
2855   data Foo a = Bar a | Baz String
2856
2857   deriving instance Eq a => Eq (Foo a)
2858 </programlisting>
2859 The syntax is identical to that of an ordinary instance declaration apart from (a) the keyword
2860 <literal>deriving</literal>, and (b) the absence of the <literal>where</literal> part.
2861 Note the following points:
2862 <itemizedlist>
2863 <listitem><para>
2864 You must supply an explicit context (in the example the context is <literal>(Eq a)</literal>), 
2865 exactly as you would in an ordinary instance declaration.
2866 (In contrast, in a <literal>deriving</literal> clause 
2867 attached to a data type declaration, the context is inferred.) 
2868 </para></listitem>
2869
2870 <listitem><para>
2871 A <literal>deriving instance</literal> declaration
2872 must obey the same rules concerning form and termination as ordinary instance declarations,
2873 controlled by the same flags; see <xref linkend="instance-decls"/>.
2874 </para></listitem>
2875
2876 <listitem><para>
2877 Unlike a <literal>deriving</literal>
2878 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, the instance can be more specific
2879 than the data type (assuming you also use 
2880 <literal>-XFlexibleInstances</literal>, <xref linkend="instance-rules"/>).  Consider
2881 for example
2882 <programlisting>
2883   data Foo a = Bar a | Baz String
2884
2885   deriving instance Eq a => Eq (Foo [a])
2886   deriving instance Eq a => Eq (Foo (Maybe a))
2887 </programlisting>
2888 This will generate a derived instance for <literal>(Foo [a])</literal> and <literal>(Foo (Maybe a))</literal>,
2889 but other types such as <literal>(Foo (Int,Bool))</literal> will not be an instance of <literal>Eq</literal>.
2890 </para></listitem>
2891
2892 <listitem><para>
2893 Unlike a <literal>deriving</literal>
2894 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, 
2895 GHC does not restrict the form of the data type.  Instead, GHC simply generates the appropriate
2896 boilerplate code for the specified class, and typechecks it. If there is a type error, it is
2897 your problem. (GHC will show you the offending code if it has a type error.) 
2898 The merit of this is that you can derive instances for GADTs and other exotic
2899 data types, providing only that the boilerplate code does indeed typecheck.  For example:
2900 <programlisting>
2901   data T a where
2902      T1 :: T Int
2903      T2 :: T Bool
2904
2905   deriving instance Show (T a)
2906 </programlisting>
2907 In this example, you cannot say <literal>... deriving( Show )</literal> on the 
2908 data type declaration for <literal>T</literal>, 
2909 because <literal>T</literal> is a GADT, but you <emphasis>can</emphasis> generate
2910 the instance declaration using stand-alone deriving.
2911 </para>
2912 </listitem>
2913
2914 <listitem>
2915 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
2916 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
2917 For example:
2918 <programlisting>
2919   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
2920
2921   deriving instance MonadState Int Foo
2922 </programlisting>
2923 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
2924 (<literal>Foo</literal> in this example) as the type whose instance is being derived.
2925 </para></listitem>
2926 </itemizedlist></para>
2927
2928 </sect2>
2929
2930
2931 <sect2 id="deriving-typeable">
2932 <title>Deriving clause for extra classes (<literal>Typeable</literal>, <literal>Data</literal>, etc)</title>
2933
2934 <para>
2935 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
2936 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
2937 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
2938 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
2939 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
2940 </para>
2941 <para>
2942 GHC extends this list with several more classes that may be automatically derived:
2943 <itemizedlist>
2944 <listitem><para> With <option>-XDeriveDataTypeable</option>, you can derive instances of the classes
2945 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>, defined in the library
2946 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively.
2947 </para>
2948 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
2949 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
2950 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
2951 described in
2952 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
2953 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
2954 </ulink>.
2955 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
2956 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
2957 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
2958 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
2959 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
2960 then writing the data type instance by hand.
2961 </para>
2962 </listitem>
2963
2964 <listitem><para> With <option>-XDeriveFunctor</option>, you can derive instances of 
2965 the class <literal>Functor</literal>,
2966 defined in <literal>GHC.Base</literal>.
2967 </para></listitem>
2968
2969 <listitem><para> With <option>-XDeriveFoldable</option>, you can derive instances of 
2970 the class <literal>Foldable</literal>,
2971 defined in <literal>Data.Foldable</literal>.
2972 </para></listitem>
2973
2974 <listitem><para> With <option>-XDeriveTraversable</option>, you can derive instances of 
2975 the class <literal>Traversable</literal>,
2976 defined in <literal>Data.Traversable</literal>.
2977 </para></listitem>
2978 </itemizedlist>
2979 In each case the appropriate class must be in scope before it 
2980 can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
2981 </para>
2982 </sect2>
2983
2984 <sect2 id="newtype-deriving">
2985 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2986
2987 <para>
2988 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2989 the new type to inherit some instances from its representation. In
2990 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2991 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2992 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2993 example, if you define
2994
2995 <programlisting>
2996   newtype Dollars = Dollars Int 
2997 </programlisting>
2998
2999 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3000 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3001
3002 <programlisting>
3003   instance Num Dollars where
3004     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3005     ...
3006 </programlisting>
3007 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3008 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3009 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3010 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3011 dictionary, only slower!
3012 </para>
3013
3014
3015 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3016 <para>
3017 GHC now permits such instances to be derived instead, 
3018 using the flag <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
3019 so one can write 
3020 <programlisting>
3021   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3022 </programlisting>
3023
3024 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3025 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3026 derives an instance declaration of the form
3027
3028 <programlisting>
3029   instance Num Int => Num Dollars
3030 </programlisting>
3031
3032 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3033 </para>
3034 <para>
3035
3036 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3037 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3038 transformers, such that
3039
3040 <programlisting>
3041   instance Monad m => Monad (State s m) 
3042   instance Monad m => Monad (Failure m)
3043 </programlisting>
3044 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3045 <programlisting>
3046   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3047 </programlisting>
3048
3049 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3050 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3051 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3052
3053 <programlisting>
3054   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3055                          deriving Monad
3056 </programlisting>
3057 In this case the derived instance declaration is of the form 
3058 <programlisting>
3059   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3060 </programlisting>
3061
3062 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3063 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3064 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3065 "eta-converted" to generate the context of the instance
3066 declaration.
3067 </para>
3068 <para>
3069
3070 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3071 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3072 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3073 clause. For example, given the class
3074
3075 <programlisting>
3076   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3077   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3078 </programlisting>
3079 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3080 <programlisting>
3081   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3082                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3083 </programlisting>
3084
3085 The derived instance is obtained by completing the application of the
3086 class to the new type:
3087
3088 <programlisting>
3089   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3090            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3091 </programlisting>
3092 </para>
3093 <para>
3094
3095 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3096  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3097 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3098 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3099 the newtype and its representation.
3100 </para>
3101 </sect3>
3102
3103 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3104 <para>
3105 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3106 declaration (after expansion of any type synonyms)
3107
3108 <programlisting>
3109   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3110 </programlisting>
3111
3112 where 
3113  <itemizedlist>
3114 <listitem><para>
3115   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3116   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3117   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3118 </para></listitem>
3119 <listitem><para>
3120   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
3121 </para></listitem>
3122 <listitem><para>
3123   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
3124 </para></listitem>
3125 <listitem><para>
3126   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
3127   nor in the <literal>ci</literal>, and
3128 </para></listitem>
3129 <listitem><para>
3130   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3131                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3132                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3133                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3134                 via this new mechanism.  
3135 </para></listitem>
3136 </itemizedlist>
3137 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3138 declaration is:
3139 <programlisting>
3140   instance ci t => ci (T v1...vk)
3141 </programlisting>
3142 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3143 <programlisting>
3144   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3145 </programlisting>
3146 Here we cannot derive the instance 
3147 <programlisting>
3148   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3149 </programlisting>
3150
3151 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3152 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3153 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3154 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3155 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3156 </para>
3157 <para>
3158
3159 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3160 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3161 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3162
3163 <programlisting>
3164   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3165 </programlisting>
3166
3167 then we would not have been able to derive an instance for the
3168 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3169 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3170 instances is most interesting.
3171 </para>
3172 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3173 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3174 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3175 4.3.3. of the Haskell Report).
3176 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3177 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3178 the standard method is used or the one described here.)
3179 </para>
3180 </sect3>
3181 </sect2>
3182 </sect1>
3183
3184
3185 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
3186 <sect1 id="type-class-extensions">
3187 <title>Class and instances declarations</title>
3188
3189 <sect2 id="multi-param-type-classes">
3190 <title>Class declarations</title>
3191
3192 <para>
3193 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
3194 There's lots of background in the paper <ulink
3195 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space/">Type
3196 classes: exploring the design space</ulink> (Simon Peyton Jones, Mark
3197 Jones, Erik Meijer).
3198 </para>
3199 <para>
3200 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
3201 </para>
3202
3203 <sect3>
3204 <title>Multi-parameter type classes</title>
3205 <para>
3206 Multi-parameter type classes are permitted, with flag <option>-XMultiParamTypeClasses</option>. 
3207 For example:
3208
3209
3210 <programlisting>
3211   class Collection c a where
3212     union :: c a -> c a -> c a
3213     ...etc.
3214 </programlisting>
3215
3216 </para>
3217 </sect3>
3218
3219 <sect3 id="superclass-rules">
3220 <title>The superclasses of a class declaration</title>
3221
3222 <para>
3223 In Haskell 98 the context of a class declaration (which introduces superclasses)
3224 must be simple; that is, each predicate must consist of a class applied to 
3225 type variables.  The flag <option>-XFlexibleContexts</option> 
3226 (<xref linkend="flexible-contexts"/>)
3227 lifts this restriction,
3228 so that the only restriction on the context in a class declaration is 
3229 that the class hierarchy must be acyclic.  So these class declarations are OK:
3230
3231
3232 <programlisting>
3233   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
3234     ...
3235
3236   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
3237     lift :: m a -> (t m) a
3238 </programlisting>
3239
3240
3241 </para>
3242 <para>
3243 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
3244 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
3245 this is OK:
3246
3247
3248 <programlisting>
3249   class C a where {
3250     op :: D b => a -> b -> b
3251   }
3252
3253   class C a => D a where { ... }
3254 </programlisting>
3255
3256
3257 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
3258 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
3259 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
3260 </para>
3261 </sect3>
3262
3263
3264
3265
3266 <sect3 id="class-method-types">
3267 <title>Class method types</title>
3268
3269 <para>
3270 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
3271 class type variable, thus:
3272 <programlisting>
3273   class Seq s a where
3274     fromList :: [a] -> s a
3275     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
3276 </programlisting>
3277 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
3278 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
3279 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
3280 GHC lifts this restriction (flag <option>-XConstrainedClassMethods</option>).
3281 </para>
3282
3283
3284 </sect3>
3285 </sect2>
3286
3287 <sect2 id="functional-dependencies">
3288 <title>Functional dependencies
3289 </title>
3290
3291 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
3292 in &ldquo;<ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/jones00type.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
3293 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
3294 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
3295 .
3296 </para>
3297 <para>
3298 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
3299 class declaration;  e.g. 
3300 <programlisting>
3301   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
3302
3303   class Foo a b c | a b -> c where ...
3304 </programlisting>
3305 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
3306 </para>
3307
3308 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
3309 <para>
3310 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
3311 mentioned in <xref linkend="flexible-contexts"/>)
3312 from the free variables of each method type.
3313 For example:
3314
3315 <programlisting>
3316   class Coll s a where
3317     empty  :: s
3318     insert :: s -> a -> s
3319 </programlisting>
3320
3321 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
3322 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
3323 reachable:
3324 <programlisting>
3325   class Coll s a | s -> a where
3326     empty  :: s
3327     insert :: s -> a -> s
3328 </programlisting>
3329
3330 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
3331
3332 <programlisting>
3333   class Coll s a where
3334     empty  :: s a
3335     insert :: s a -> a -> s a
3336 </programlisting>
3337
3338
3339 which makes the connection between the type of a collection of
3340 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
3341 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
3342 class like this:
3343
3344
3345 <programlisting>
3346   class CollE s where
3347     empty  :: s
3348
3349   class CollE s => Coll s a where
3350     insert :: s -> a -> s
3351 </programlisting>
3352 </para>
3353 </sect3>
3354
3355
3356 <sect3>
3357 <title>Background on functional dependencies</title>
3358
3359 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
3360 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
3361 permission of Mark Jones.
3362 </para>
3363 <para> 
3364 Consider the following class, intended as part of a
3365 library for collection types:
3366 <programlisting>
3367    class Collects e ce where
3368        empty  :: ce
3369        insert :: e -> ce -> ce
3370        member :: e -> ce -> Bool
3371 </programlisting>
3372 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
3373 of the container itself. Within this framework, we might want to define
3374 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
3375 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
3376 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
3377 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
3378 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
3379 <programlisting>
3380    instance Eq e => Collects e [e] where ...
3381    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
3382    instance Collects Char BitSet where ...
3383    instance (Hashable e, Collects a ce)
3384               => Collects e (Array Int ce) where ...
3385 </programlisting>
3386 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
3387 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
3388 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
3389 <programlisting>
3390    empty :: Collects e ce => ce
3391 </programlisting>
3392 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
3393 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
3394 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
3395 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
3396 type.
3397 </para>
3398 <para>
3399 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
3400 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
3401 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
3402 them. For example, consider the following two functions: 
3403 <programlisting>
3404    f x y = insert x . insert y
3405    g     = f True 'a'
3406 </programlisting>
3407 for which GHC infers the following types: 
3408 <programlisting>
3409    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3410    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
3411 </programlisting>
3412 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
3413 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
3414 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
3415 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
3416 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
3417 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
3418 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
3419 might even be in a different module.
3420 </para>
3421
3422 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
3423
3424 <para>
3425 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
3426 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
3427 <programlisting>
3428    class Collects e c where
3429       empty  :: c e
3430       insert :: e -> c e -> c e
3431       member :: e -> c e -> Bool
3432 </programlisting>
3433 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
3434 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
3435 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
3436 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
3437 e</literal>, which is not ambiguous. 
3438 </para>
3439 <para>
3440 The function f from the previous section has a more accurate type: 
3441 <programlisting>
3442    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
3443 </programlisting>
3444 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
3445 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
3446 different types. 
3447 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
3448 quite well in practice, without ambiguity problems.
3449 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
3450 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
3451 for <literal>Collects</literal>
3452 given above can be used with this version of Collects because only one of
3453 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
3454 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
3455 </para>
3456 </sect4>
3457
3458 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
3459
3460 <para>
3461 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
3462 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
3463 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
3464 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
3465 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
3466 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
3467 later framework for "improvement" of qualified types. The
3468 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
3469 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
3470 general design space for systems of implicit parameterization.).
3471
3472 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
3473 <programlisting>
3474    class C a b where ...
3475 </programlisting>
3476 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
3477 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
3478 included in the definition of classes to add information about dependencies
3479 between parameters, as in the following examples: 
3480 <programlisting>
3481    class D a b | a -> b where ...
3482    class E a b | a -> b, b -> a where ...
3483 </programlisting>
3484 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
3485 symbols --- not to be
3486 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
3487 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
3488 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
3489 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
3490 represents a (partial) one-one mapping between types.
3491 </para>
3492 <para>
3493 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
3494 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
3495 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
3496 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
3497 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
3498 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
3499 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
3500 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
3501 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
3502 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
3503 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
3504 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
3505 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
3506 <literal>a-&gt;b</literal>, 
3507  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
3508 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
3509 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
3510 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
3511 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
3512 unchanged.
3513 </para>
3514 <para>
3515 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
3516 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
3517 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
3518 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
3519 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
3520 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
3521 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
3522 <programlisting>
3523    instance D Bool Int where ...
3524    instance D Bool Char where ...
3525 </programlisting>
3526 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
3527 <programlisting>
3528    instance D [a] b where ...
3529 </programlisting>
3530 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
3531 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
3532 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
3533 in any instance of the form: 
3534 <programlisting>
3535    instance D t s where ...
3536 </programlisting>
3537 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
3538 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
3539 uniquely determined.
3540 </para>
3541 <para>
3542 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
3543 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
3544 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
3545 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
3546 with a simple dependency: 
3547 <programlisting>
3548    class Collects e ce | ce -> e where
3549       empty  :: ce
3550       insert :: e -> ce -> ce
3551       member :: e -> ce -> Bool
3552 </programlisting>
3553 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
3554 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
3555 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
3556 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
3557 together with this new definition.
3558 </para>
3559 <para>
3560 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
3561 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
3562 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
3563 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
3564 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
3565 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
3566 give enough information to determine types for both ce and e, without
3567 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
3568 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
3569 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
3570 </para>
3571 <para>
3572 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
3573 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
3574 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
3575 function f: 
3576 <programlisting>
3577    f x y = insert x y = insert x . insert y
3578 </programlisting>
3579 for which we originally obtained a type: 
3580 <programlisting>
3581    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3582 </programlisting>
3583 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
3584 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
3585 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
3586 can infer a shorter and more accurate type for f: 
3587 <programlisting>
3588    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
3589 </programlisting>
3590 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
3591 </para>
3592 <para>
3593 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
3594 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
3595 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
3596 sets of instance declarations.
3597 </para>
3598 </sect4>
3599 </sect3>
3600 </sect2>
3601
3602 <sect2 id="instance-decls">
3603 <title>Instance declarations</title>
3604
3605 <para>An instance declaration has the form
3606 <screen>
3607   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 ...
3608 </screen>
3609 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
3610 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
3611 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
3612 </para>
3613
3614 <sect3 id="flexible-instance-head">
3615 <title>Relaxed rules for the instance head</title>
3616
3617 <para>
3618 In Haskell 98 the head of an instance declaration
3619 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
3620 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a data type constructor,
3621 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
3622 GHC relaxes these rules in two ways.
3623 <itemizedlist>
3624 <listitem>
3625 <para>
3626 The <option>-XFlexibleInstances</option> flag allows the head of the instance
3627 declaration to mention arbitrary nested types.
3628 For example, this becomes a legal instance declaration
3629 <programlisting>
3630   instance C (Maybe Int) where ...
3631 </programlisting>
3632 See also the <link linkend="instance-overlap">rules on overlap</link>.
3633 </para></listitem>
3634 <listitem><para>
3635 With the <option>-XTypeSynonymInstances</option> flag, instance heads may use type
3636 synonyms. As always, using a type synonym is just shorthand for
3637 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
3638
3639
3640 <programlisting>
3641   type Point = (Int,Int)
3642   instance C Point   where ...
3643   instance C [Point] where ...
3644 </programlisting>
3645
3646
3647 is legal.  However, if you added
3648
3649
3650 <programlisting>
3651   instance C (Int,Int) where ...
3652 </programlisting>
3653
3654
3655 as well, then the compiler will complain about the overlapping
3656 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
3657 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
3658
3659 <programlisting>
3660   type P a = [[a]]
3661   instance Monad P where ...
3662 </programlisting>
3663
3664 </para></listitem>
3665 </itemizedlist>
3666 </para>
3667 </sect3>
3668
3669 <sect3 id="instance-rules">
3670 <title>Relaxed rules for instance contexts</title>
3671
3672 <para>In Haskell 98, the assertions in the context of the instance declaration
3673 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
3674 is a type variable that occurs in the head.
3675 </para>
3676
3677 <para>
3678 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag relaxes this rule, as well
3679 as the corresponding rule for type signatures (see <xref linkend="flexible-contexts"/>).
3680 With this flag the context of the instance declaration can each consist of arbitrary
3681 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
3682 following rules:
3683 <orderedlist>
3684 <listitem><para>
3685 The Paterson Conditions: for each assertion in the context
3686 <orderedlist>
3687 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
3688 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
3689       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
3690 </orderedlist>
3691 </para></listitem>
3692
3693 <listitem><para>The Coverage Condition.  For each functional dependency,
3694 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
3695 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
3696 every type variable in
3697 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
3698 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
3699 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
3700 corresponding type in the instance declaration.
3701 </para></listitem>
3702 </orderedlist>
3703 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
3704 step makes the problem smaller by at least one
3705 constructor.  Both the Paterson Conditions and the Coverage Condition are lifted 
3706 if you give the <option>-XUndecidableInstances</option> 
3707 flag (<xref linkend="undecidable-instances"/>).
3708 You can find lots of background material about the reason for these
3709 restrictions in the paper <ulink
3710 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
3711 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
3712 </para>
3713 <para>
3714 For example, these are OK:
3715 <programlisting>
3716   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
3717   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
3718
3719       -- Repeated type variable in head
3720   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
3721   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
3722
3723       -- Head can consist of type variables only
3724   instance C a
3725   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
3726
3727       -- Non-type variables in context
3728   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
3729   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
3730   instance C2 Int a => C3 [a] b
3731 </programlisting>
3732 But these are not:
3733 <programlisting>
3734       -- Context assertion no smaller than head
3735   instance C a => C a where ...
3736       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
3737   instance C b b => Foo [b] where ...
3738 </programlisting>
3739 </para>
3740
3741 <para>
3742 The same restrictions apply to instances generated by
3743 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
3744 <programlisting>
3745   data MinHeap h a = H a (h a)
3746     deriving (Show)
3747 </programlisting>
3748 because the derived instance
3749 <programlisting>
3750   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
3751 </programlisting>
3752 conforms to the above rules.
3753 </para>
3754
3755 <para>
3756 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
3757 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
3758 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
3759 something more specific does not:
3760 <programlisting>
3761   instance C a where
3762     op = ... -- Default
3763 </programlisting>
3764 </para>
3765 </sect3>
3766
3767 <sect3 id="undecidable-instances">
3768 <title>Undecidable instances</title>
3769
3770 <para>
3771 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
3772 For example, sometimes you might want to use the following to get the
3773 effect of a "class synonym":
3774 <programlisting>
3775   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3776
3777   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3778 </programlisting>
3779 This allows you to write shorter signatures:
3780 <programlisting>
3781   f :: C a => ...
3782 </programlisting>
3783 instead of
3784 <programlisting>
3785   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
3786 </programlisting>
3787 The restrictions on functional dependencies (<xref
3788 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
3789 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
3790 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
3791 <programlisting>
3792   class HasConverter a b | a -> b where
3793      convert :: a -> b
3794    
3795   data Foo a = MkFoo a
3796
3797   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
3798      show (MkFoo value) = show (convert value)
3799 </programlisting>
3800 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
3801 typechecker loop:
3802 <programlisting>
3803   class D a
3804   class F a b | a->b
3805   instance F [a] [[a]]
3806   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
3807 </programlisting>
3808 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
3809 <programlisting>
3810   class Mul a b c | a b -> c where
3811         (.*.) :: a -> b -> c
3812
3813   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
3814   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
3815   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
3816 </programlisting>
3817 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
3818 and indeed the (somewhat strange) definition:
3819 <programlisting>
3820   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
3821 </programlisting>
3822 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
3823 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
3824 </para>
3825 <para>
3826 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
3827 the experimental flag <option>-XUndecidableInstances</option>
3828 <indexterm><primary>-XUndecidableInstances</primary></indexterm>, 
3829 both the Paterson Conditions and the Coverage Condition
3830 (described in <xref linkend="instance-rules"/>) are lifted.  Termination is ensured by having a
3831 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
3832 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
3833 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
3834 </para>
3835
3836 </sect3>
3837
3838
3839 <sect3 id="instance-overlap">
3840 <title>Overlapping instances</title>
3841 <para>
3842 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
3843 declaration
3844 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
3845 can be modified by two flags: <option>-XOverlappingInstances</option>
3846 <indexterm><primary>-XOverlappingInstances
3847 </primary></indexterm> 
3848 and <option>-XIncoherentInstances</option>
3849 <indexterm><primary>-XIncoherentInstances
3850 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
3851 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
3852 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
3853 <para>
3854 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
3855 it tries to match every instance declaration against the
3856 constraint,
3857 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
3858 these declarations:
3859 <programlisting>
3860   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
3861   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
3862   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
3863   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
3864 </programlisting>
3865 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
3866 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
3867 no account of the context of the instance declaration
3868 (<literal>context1</literal> etc).
3869 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
3870 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
3871 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
3872 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
3873 particular constraint matches more than one.
3874 </para>
3875
3876 <para>
3877 The <option>-XOverlappingInstances</option> flag instructs GHC to allow
3878 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
3879 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
3880 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
3881 most-specific match, the program is rejected.
3882 </para>
3883 <para>
3884 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
3885 <programlisting>
3886   f :: [b] -> [b]
3887   f x = ...
3888 </programlisting>
3889 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
3890 <literal>C Int [b]</literal>.  But
3891 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
3892 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
3893 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
3894 So GHC rejects the program.  
3895 (If you add the flag <option>-XIncoherentInstances</option>,
3896 GHC will instead pick (C), without complaining about 
3897 the problem of subsequent instantiations.)
3898 </para>
3899 <para>
3900 Notice that we gave a type signature to <literal>f</literal>, so GHC had to
3901 <emphasis>check</emphasis> that <literal>f</literal> has the specified type.  
3902 Suppose instead we do not give a type signature, asking GHC to <emphasis>infer</emphasis>
3903 it instead.  In this case, GHC will refrain from
3904 simplifying the constraint <literal>C Int [b]</literal> (for the same reason
3905 as before) but, rather than rejecting the program, it will infer the type
3906 <programlisting>
3907   f :: C Int [b] => [b] -> [b]
3908 </programlisting>
3909 That postpones the question of which instance to pick to the 
3910 call site for <literal>f</literal>
3911 by which time more is known about the type <literal>b</literal>.
3912 You can write this type signature yourself if you use the 
3913 <link linkend="flexible-contexts"><option>-XFlexibleContexts</option></link>
3914 flag.
3915 </para>
3916 <para>
3917 Exactly the same situation can arise in instance declarations themselves.  Suppose we have
3918 <programlisting>
3919   class Foo a where
3920      f :: a -> a
3921   instance Foo [b] where
3922      f x = ...
3923 </programlisting>
3924 and, as before, the constraint <literal>C Int [b]</literal> arises from <literal>f</literal>'s
3925 right hand side.  GHC will reject the instance, complaining as before that it does not know how to resolve
3926 the constraint <literal>C Int [b]</literal>, because it matches more than one instance
3927 declaration.  The solution is to postpone the choice by adding the constraint to the context
3928 of the instance declaration, thus:
3929 <programlisting>
3930   instance C Int [b] => Foo [b] where
3931      f x = ...
3932 </programlisting>
3933 (You need <link linkend="instance-rules"><option>-XFlexibleInstances</option></link> to do this.)
3934 </para>
3935 <para>
3936 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
3937 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
3938 presence or otherwise of the <option>-XOverlappingInstances</option> 
3939 and <option>-XIncoherentInstances</option> flags when that module is
3940 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
3941 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
3942 <itemizedlist>
3943 <listitem><para>
3944 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
3945 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
3946 <option>-XOverlappingInstances</option>.  The flag setting for the
3947 more-specific instance does not matter.
3948 </para></listitem>
3949 <listitem><para>
3950 Suppose an instance declaration does not match the constraint being looked up, but
3951 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
3952 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
3953 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
3954 <option>-XIncoherentInstances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
3955 check for that declaration.
3956 </para></listitem>
3957 </itemizedlist>
3958 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
3959 overlapping instances without the library client having to know.  
3960 </para>
3961 <para>
3962 If an instance declaration is compiled without
3963 <option>-XOverlappingInstances</option>,
3964 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
3965 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
3966 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
3967 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
3968 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
3969 are compiled, if the <option>-XOverlappingInstances</option> flag is
3970 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
3971 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
3972 </para>
3973 <para>The <option>-XIncoherentInstances</option> flag implies the
3974 <option>-XOverlappingInstances</option> flag, but not vice versa.
3975 </para>
3976 </sect3>
3977
3978
3979
3980 </sect2>
3981
3982 <sect2 id="overloaded-strings">
3983 <title>Overloaded string literals
3984 </title>
3985
3986 <para>
3987 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
3988 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
3989 literals enabled (with <literal>-XOverloadedStrings</literal>)
3990  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
3991 </para>
3992 <para>
3993 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
3994 and other variations of string like types.  String literals behave very much
3995 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
3996 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
3997 way as an integer literal is.
3998 </para>
3999 <para>
4000 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
4001 <programlisting>
4002 class IsString a where
4003     fromString :: String -> a
4004 </programlisting>
4005 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
4006 <programlisting>
4007 instance IsString [Char] where
4008     fromString cs = cs
4009 </programlisting>
4010 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
4011 it explicitly (for example, to give an instance declaration for it), you can import it
4012 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
4013 </para>
4014 <para>
4015 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-XOverloadedStrings</option> is specified.
4016 Specifically:
4017 <itemizedlist>
4018 <listitem><para>
4019 Each type in a default declaration must be an 
4020 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
4021 </para></listitem>
4022
4023 <listitem><para>
4024 The standard defaulting rule (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
4025 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
4026 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
4027 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
4028 </para></listitem>
4029 </itemizedlist>
4030 </para>
4031 <para>
4032 A small example:
4033 <programlisting>
4034 module Main where
4035
4036 import GHC.Exts( IsString(..) )
4037
4038 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
4039 instance IsString MyString where
4040     fromString = MyString
4041
4042 greet :: MyString -> MyString
4043 greet "hello" = "world"
4044 greet other = other
4045
4046 main = do
4047     print $ greet "hello"
4048     print $ greet "fool"
4049 </programlisting>
4050 </para>
4051 <para>
4052 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
4053 to work since it gets translated into an equality comparison.
4054 </para>
4055 </sect2>
4056
4057 </sect1>
4058
4059 <sect1 id="type-families">
4060 <title>Type families</title>
4061
4062 <para>
4063   <firstterm>Indexed type families</firstterm> are a new GHC extension to
4064   facilitate type-level 
4065   programming. Type families are a generalisation of <firstterm>associated
4066   data types</firstterm> 
4067   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKPM05.html">Associated 
4068   Types with Class</ulink>&rdquo;, M. Chakravarty, G. Keller, S. Peyton Jones,
4069   and S. Marlow. In Proceedings of &ldquo;The 32nd Annual ACM SIGPLAN-SIGACT
4070      Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'05)&rdquo;, pages
4071   1-13, ACM Press, 2005) and <firstterm>associated type synonyms</firstterm>
4072   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKP05.html">Type  
4073   Associated Type Synonyms</ulink>&rdquo;. M. Chakravarty, G. Keller, and
4074   S. Peyton Jones. 
4075   In Proceedings of &ldquo;The Tenth ACM SIGPLAN International Conference on
4076   Functional Programming&rdquo;, ACM Press, pages 241-253, 2005).  Type families
4077   themselves are described in the paper &ldquo;<ulink 
4078   url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4079   Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;, T. Schrijvers,
4080   S. Peyton-Jones, 
4081   M. Chakravarty, and M. Sulzmann, in Proceedings of &ldquo;ICFP 2008: The
4082   13th ACM SIGPLAN International Conference on Functional
4083   Programming&rdquo;, ACM Press, pages 51-62, 2008. Type families
4084   essentially provide type-indexed data types and named functions on types,
4085   which are useful for generic programming and highly parameterised library
4086   interfaces as well as interfaces with enhanced static information, much like
4087   dependent types. They might also be regarded as an alternative to functional
4088   dependencies, but provide a more functional style of type-level programming
4089   than the relational style of functional dependencies. 
4090 </para>
4091 <para>
4092   Indexed type families, or type families for short, are type constructors that
4093   represent sets of types. Set members are denoted by supplying the type family
4094   constructor with type parameters, which are called <firstterm>type
4095   indices</firstterm>. The 
4096   difference between vanilla parametrised type constructors and family
4097   constructors is much like between parametrically polymorphic functions and
4098   (ad-hoc polymorphic) methods of type classes. Parametric polymorphic functions
4099   behave the same at all type instances, whereas class methods can change their
4100   behaviour in dependence on the class type parameters. Similarly, vanilla type
4101   constructors imply the same data representation for all type instances, but
4102   family constructors can have varying representation types for varying type
4103   indices. 
4104 </para>
4105 <para>
4106   Indexed type families come in two flavours: <firstterm>data
4107     families</firstterm> and <firstterm>type synonym 
4108     families</firstterm>. They are the indexed family variants of algebraic
4109   data types and type synonyms, respectively. The instances of data families
4110   can be data types and newtypes. 
4111 </para>
4112 <para>
4113   Type families are enabled by the flag <option>-XTypeFamilies</option>.
4114   Additional information on the use of type families in GHC is available on
4115   <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GHC/Indexed_types">the
4116   Haskell wiki page on type families</ulink>.
4117 </para>
4118
4119 <sect2 id="data-families">
4120   <title>Data families</title>
4121
4122   <para>
4123     Data families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4124     toplevel 
4125     or (2) they can appear inside type classes (in which case they are known as
4126     associated types). The former is the more general variant, as it lacks the
4127     requirement for the type-indexes to coincide with the class
4128     parameters. However, the latter can lead to more clearly structured code and
4129     compiler warnings if some type instances were - possibly accidentally -
4130     omitted. In the following, we always discuss the general toplevel form first
4131     and then cover the additional constraints placed on associated types.
4132   </para>
4133
4134   <sect3 id="data-family-declarations"> 
4135     <title>Data family declarations</title>
4136
4137     <para>
4138       Indexed data families are introduced by a signature, such as 
4139 <programlisting>
4140 data family GMap k :: * -> *
4141 </programlisting>
4142       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4143       data declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4144       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is
4145 <programlisting>
4146 data family Array e
4147 </programlisting>
4148       Named arguments can also be given explicit kind signatures if needed.
4149       Just as with
4150       [http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/users_guide/gadt.html GADT
4151       declarations] named arguments are entirely optional, so that we can
4152       declare <literal>Array</literal> alternatively with 
4153 <programlisting>
4154 data family Array :: * -> *
4155 </programlisting>
4156     </para>
4157
4158     <sect4 id="assoc-data-family-decl">
4159       <title>Associated data family declarations</title>
4160       <para>
4161         When a data family is declared as part of a type class, we drop
4162         the <literal>family</literal> special.  The <literal>GMap</literal>
4163         declaration takes the following form 
4164 <programlisting>
4165 class GMapKey k where
4166   data GMap k :: * -> *
4167   ...
4168 </programlisting>
4169         In contrast to toplevel declarations, named arguments must be used for
4170         all type parameters that are to be used as type-indexes.  Moreover,
4171         the argument names must be class parameters.  Each class parameter may
4172         only be used at most once per associated type, but some may be omitted
4173         and they may be in an order other than in the class head.  Hence, the
4174         following contrived example is admissible: 
4175 <programlisting>
4176   class C a b c where
4177   data T c a :: *
4178 </programlisting>
4179       </para>
4180     </sect4>
4181   </sect3>
4182
4183   <sect3 id="data-instance-declarations"> 
4184     <title>Data instance declarations</title>
4185
4186     <para>
4187       Instance declarations of data and newtype families are very similar to
4188       standard data and newtype declarations.  The only two differences are
4189       that the keyword <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>
4190       is followed by <literal>instance</literal> and that some or all of the
4191       type arguments can be non-variable types, but may not contain forall
4192       types or type synonym families.  However, data families are generally
4193       allowed in type parameters, and type synonyms are allowed as long as
4194       they are fully applied and expand to a type that is itself admissible -
4195       exactly as this is required for occurrences of type synonyms in class
4196       instance parameters.  For example, the <literal>Either</literal>
4197       instance for <literal>GMap</literal> is 
4198 <programlisting>
4199 data instance GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4200 </programlisting>
4201       In this example, the declaration has only one variant.  In general, it
4202       can be any number.
4203     </para>
4204     <para>
4205       Data and newtype instance declarations are only permitted when an
4206       appropriate family declaration is in scope - just as a class instance declaratoin
4207       requires the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4208       declaration has to conform to the kind determined by its family
4209       declaration.  This implies that the number of parameters of an instance
4210       declaration matches the arity determined by the kind of the family.
4211     </para>
4212     <para>
4213       A data family instance declaration can use the full exprssiveness of
4214       ordinary <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declarations:
4215       <itemizedlist>
4216       <listitem><para> Although, a data family is <emphasis>introduced</emphasis> with
4217       the keyword "<literal>data</literal>", a data family <emphasis>instance</emphasis> can 
4218       use either <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>. For example:
4219 <programlisting>
4220 data family T a
4221 data    instance T Int  = T1 Int | T2 Bool
4222 newtype instance T Char = TC Bool
4223 </programlisting>
4224       </para></listitem>
4225       <listitem><para> A <literal>data instance</literal> can use GADT syntax for the data constructors,
4226       and indeed can define a GADT.  For example:
4227 <programlisting>
4228 data family G a b
4229 data instance G [a] b where
4230    G1 :: c -> G [Int] b
4231    G2 :: G [a] Bool
4232 </programlisting>
4233       </para></listitem>
4234       <listitem><para> You can use a <literal>deriving</literal> clause on a
4235       <literal>data instance</literal> or <literal>newtype instance</literal>
4236       declaration.
4237       </para></listitem>
4238       </itemizedlist>
4239     </para>
4240
4241     <para>
4242       Even if type families are defined as toplevel declarations, functions
4243       that perform different computations for different family instances may still
4244       need to be defined as methods of type classes.  In particular, the
4245       following is not possible: 
4246 <programlisting>
4247 data family T a
4248 data instance T Int  = A
4249 data instance T Char = B
4250 foo :: T a -> Int
4251 foo A = 1             -- WRONG: These two equations together...
4252 foo B = 2             -- ...will produce a type error.
4253 </programlisting>
4254 Instead, you would have to write <literal>foo</literal> as a class operation, thus:
4255 <programlisting>
4256 class C a where 
4257   foo :: T a -> Int
4258 instance Foo Int where
4259   foo A = 1
4260 instance Foo Char where
4261   foo B = 2
4262 </programlisting>
4263       (Given the functionality provided by GADTs (Generalised Algebraic Data
4264       Types), it might seem as if a definition, such as the above, should be
4265       feasible.  However, type families are - in contrast to GADTs - are
4266       <emphasis>open;</emphasis> i.e., new instances can always be added,
4267       possibly in other 
4268       modules.  Supporting pattern matching across different data instances
4269       would require a form of extensible case construct.)
4270     </para>
4271
4272     <sect4 id="assoc-data-inst">
4273       <title>Associated data instances</title>
4274       <para>
4275         When an associated data family instance is declared within a type
4276         class instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the
4277         family instance.  So, the <literal>Either</literal> instance
4278         for <literal>GMap</literal> becomes: 
4279 <programlisting>
4280 instance (GMapKey a, GMapKey b) => GMapKey (Either a b) where
4281   data GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4282   ...
4283 </programlisting>
4284         The most important point about associated family instances is that the
4285         type indexes corresponding to class parameters must be identical to
4286         the type given in the instance head; here this is the first argument
4287         of <literal>GMap</literal>, namely <literal>Either a b</literal>,
4288         which coincides with the only class parameter.  Any parameters to the
4289         family constructor that do not correspond to class parameters, need to
4290         be variables in every instance; here this is the
4291         variable <literal>v</literal>. 
4292       </para>
4293       <para>
4294         Instances for an associated family can only appear as part of
4295         instances declarations of the class in which the family was declared -
4296         just as with the equations of the methods of a class.  Also in
4297         correspondence to how methods are handled, declarations of associated
4298         types can be omitted in class instances.  If an associated family
4299         instance is omitted, the corresponding instance type is not inhabited;
4300         i.e., only diverging expressions, such
4301         as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4302       </para>
4303     </sect4>
4304
4305     <sect4 id="scoping-class-params">
4306       <title>Scoping of class parameters</title>
4307       <para>
4308         In the case of multi-parameter type classes, the visibility of class
4309         parameters in the right-hand side of associated family instances
4310         depends <emphasis>solely</emphasis> on the parameters of the data
4311         family.  As an example, consider the simple class declaration 
4312 <programlisting>
4313 class C a b where
4314   data T a
4315 </programlisting>
4316         Only one of the two class parameters is a parameter to the data
4317         family.  Hence, the following instance declaration is invalid: 
4318 <programlisting>
4319 instance C [c] d where
4320   data T [c] = MkT (c, d)    -- WRONG!!  'd' is not in scope
4321 </programlisting>
4322         Here, the right-hand side of the data instance mentions the type
4323         variable <literal>d</literal> that does not occur in its left-hand
4324         side.  We cannot admit such data instances as they would compromise
4325         type safety. 
4326       </para>
4327     </sect4>
4328
4329     <sect4 id="family-class-inst">
4330       <title>Type class instances of family instances</title>
4331       <para>
4332         Type class instances of instances of data families can be defined as
4333         usual, and in particular data instance declarations can
4334         have <literal>deriving</literal> clauses.  For example, we can write 
4335 <programlisting>
4336 data GMap () v = GMapUnit (Maybe v)
4337                deriving Show
4338 </programlisting>
4339         which implicitly defines an instance of the form
4340 <programlisting>
4341 instance Show v => Show (GMap () v) where ...
4342 </programlisting>
4343       </para>
4344       <para>
4345         Note that class instances are always for
4346         particular <emphasis>instances</emphasis> of a data family and never
4347         for an entire family as a whole.  This is for essentially the same
4348         reasons that we cannot define a toplevel function that performs
4349         pattern matching on the data constructors
4350         of <emphasis>different</emphasis> instances of a single type family.
4351         It would require a form of extensible case construct. 
4352       </para>
4353     </sect4>
4354
4355     <sect4 id="data-family-overlap">
4356       <title>Overlap of data instances</title>
4357       <para>
4358         The instance declarations of a data family used in a single program
4359         may not overlap at all, independent of whether they are associated or
4360         not.  In contrast to type class instances, this is not only a matter
4361         of consistency, but one of type safety. 
4362       </para>
4363     </sect4>
4364
4365   </sect3>
4366
4367   <sect3 id="data-family-import-export">
4368     <title>Import and export</title>
4369
4370     <para>
4371       The association of data constructors with type families is more dynamic
4372       than that is the case with standard data and newtype declarations.  In
4373       the standard case, the notation <literal>T(..)</literal> in an import or
4374       export list denotes the type constructor and all the data constructors
4375       introduced in its declaration.  However, a family declaration never
4376       introduces any data constructors; instead, data constructors are
4377       introduced by family instances.  As a result, which data constructors
4378       are associated with a type family depends on the currently visible
4379       instance declarations for that family.  Consequently, an import or
4380       export item of the form <literal>T(..)</literal> denotes the family
4381       constructor and all currently visible data constructors - in the case of
4382       an export item, these may be either imported or defined in the current
4383       module.  The treatment of import and export items that explicitly list
4384       data constructors, such as <literal>GMap(GMapEither)</literal>, is
4385       analogous. 
4386     </para>
4387
4388     <sect4 id="data-family-impexp-assoc">
4389       <title>Associated families</title>
4390       <para>
4391         As expected, an import or export item of the
4392         form <literal>C(..)</literal> denotes all of the class' methods and
4393         associated types.  However, when associated types are explicitly
4394         listed as subitems of a class, we need some new syntax, as uppercase
4395         identifiers as subitems are usually data constructors, not type
4396         constructors.  To clarify that we denote types here, each associated
4397         type name needs to be prefixed by the keyword <literal>type</literal>.
4398         So for example, when explicitly listing the components of
4399         the <literal>GMapKey</literal> class, we write <literal>GMapKey(type
4400         GMap, empty, lookup, insert)</literal>. 
4401       </para>
4402     </sect4>
4403
4404     <sect4 id="data-family-impexp-examples">
4405       <title>Examples</title>
4406       <para>
4407         Assuming our running <literal>GMapKey</literal> class example, let us
4408         look at some export lists and their meaning: 
4409         <itemizedlist>
4410           <listitem>
4411             <para><literal>module GMap (GMapKey) where...</literal>: Exports
4412               just the class name.</para>
4413           </listitem>
4414           <listitem>
4415             <para><literal>module GMap (GMapKey(..)) where...</literal>:
4416               Exports the class, the associated type <literal>GMap</literal>
4417               and the member
4418               functions <literal>empty</literal>, <literal>lookup</literal>,
4419               and <literal>insert</literal>.  None of the data constructors is 
4420               exported.</para>
4421           </listitem> 
4422           <listitem>
4423             <para><literal>module GMap (GMapKey(..), GMap(..))
4424                 where...</literal>: As before, but also exports all the data
4425               constructors <literal>GMapInt</literal>, 
4426               <literal>GMapChar</literal>,  
4427               <literal>GMapUnit</literal>, <literal>GMapPair</literal>,
4428               and <literal>GMapUnit</literal>.</para>
4429           </listitem>
4430           <listitem>
4431             <para><literal>module GMap (GMapKey(empty, lookup, insert),
4432             GMap(..)) where...</literal>: As before.</para>
4433           </listitem>
4434           <listitem>
4435             <para><literal>module GMap (GMapKey, empty, lookup, insert, GMap(..))
4436                 where...</literal>: As before.</para>
4437           </listitem>
4438         </itemizedlist>
4439       </para>
4440       <para>
4441         Finally, you can write <literal>GMapKey(type GMap)</literal> to denote
4442         both the class <literal>GMapKey</literal> as well as its associated
4443         type <literal>GMap</literal>.  However, you cannot
4444         write <literal>GMapKey(type GMap(..))</literal> &mdash; i.e.,
4445         sub-component specifications cannot be nested.  To
4446         specify <literal>GMap</literal>'s data constructors, you have to list
4447         it separately. 
4448       </para>
4449     </sect4>
4450
4451     <sect4 id="data-family-impexp-instances">
4452       <title>Instances</title>
4453       <para>
4454         Family instances are implicitly exported, just like class instances.
4455         However, this applies only to the heads of instances, not to the data
4456         constructors an instance defines. 
4457       </para>
4458     </sect4>
4459
4460   </sect3>
4461
4462 </sect2>
4463
4464 <sect2 id="synonym-families">
4465   <title>Synonym families</title>
4466
4467   <para>
4468     Type families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4469     toplevel or (2) they can appear inside type classes (in which case they
4470     are known as associated type synonyms).  The former is the more general
4471     variant, as it lacks the requirement for the type-indexes to coincide with
4472     the class parameters.  However, the latter can lead to more clearly
4473     structured code and compiler warnings if some type instances were -
4474     possibly accidentally - omitted.  In the following, we always discuss the
4475     general toplevel form first and then cover the additional constraints
4476     placed on associated types.
4477   </para>
4478
4479   <sect3 id="type-family-declarations">
4480     <title>Type family declarations</title>
4481
4482     <para>
4483       Indexed type families are introduced by a signature, such as 
4484 <programlisting>
4485 type family Elem c :: *
4486 </programlisting>
4487       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4488       type declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4489       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is 
4490 <programlisting>
4491 type family Elem c
4492 </programlisting>
4493       Parameters can also be given explicit kind signatures if needed.  We
4494       call the number of parameters in a type family declaration, the family's
4495       arity, and all applications of a type family must be fully saturated
4496       w.r.t. to that arity.  This requirement is unlike ordinary type synonyms
4497       and it implies that the kind of a type family is not sufficient to
4498       determine a family's arity, and hence in general, also insufficient to
4499       determine whether a type family application is well formed.  As an
4500       example, consider the following declaration: 
4501 <programlisting>
4502 type family F a b :: * -> *   -- F's arity is 2, 
4503                               -- although its overall kind is * -> * -> * -> *
4504 </programlisting>
4505       Given this declaration the following are examples of well-formed and
4506       malformed types: 
4507 <programlisting>
4508 F Char [Int]       -- OK!  Kind: * -> *
4509 F Char [Int] Bool  -- OK!  Kind: *
4510 F IO Bool          -- WRONG: kind mismatch in the first argument
4511 F Bool             -- WRONG: unsaturated application
4512 </programlisting>
4513       </para>
4514
4515     <sect4 id="assoc-type-family-decl">
4516       <title>Associated type family declarations</title>
4517       <para>
4518         When a type family is declared as part of a type class, we drop
4519         the <literal>family</literal> special.  The <literal>Elem</literal>
4520         declaration takes the following form 
4521 <programlisting>
4522 class Collects ce where
4523   type Elem ce :: *
4524   ...
4525 </programlisting>
4526         The argument names of the type family must be class parameters.  Each
4527         class parameter may only be used at most once per associated type, but
4528         some may be omitted and they may be in an order other than in the
4529         class head.  Hence, the following contrived example is admissible: 
4530 <programlisting>
4531 class C a b c where
4532   type T c a :: *
4533 </programlisting>
4534         These rules are exactly as for associated data families.
4535       </para>
4536     </sect4>
4537   </sect3>
4538
4539   <sect3 id="type-instance-declarations">
4540     <title>Type instance declarations</title>
4541     <para>
4542       Instance declarations of type families are very similar to standard type
4543       synonym declarations.  The only two differences are that the
4544       keyword <literal>type</literal> is followed
4545       by <literal>instance</literal> and that some or all of the type
4546       arguments can be non-variable types, but may not contain forall types or
4547       type synonym families. However, data families are generally allowed, and
4548       type synonyms are allowed as long as they are fully applied and expand
4549       to a type that is admissible - these are the exact same requirements as
4550       for data instances.  For example, the <literal>[e]</literal> instance
4551       for <literal>Elem</literal> is 
4552 <programlisting>
4553 type instance Elem [e] = e
4554 </programlisting>
4555     </para>
4556     <para>
4557       Type family instance declarations are only legitimate when an
4558       appropriate family declaration is in scope - just like class instances
4559       require the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4560       declaration has to conform to the kind determined by its family
4561       declaration, and the number of type parameters in an instance
4562       declaration must match the number of type parameters in the family
4563       declaration.   Finally, the right-hand side of a type instance must be a
4564       monotype (i.e., it may not include foralls) and after the expansion of
4565       all saturated vanilla type synonyms, no synonyms, except family synonyms
4566       may remain.  Here are some examples of admissible and illegal type
4567       instances: 
4568 <programlisting>
4569 type family F a :: *
4570 type instance F [Int]              = Int         -- OK!
4571 type instance F String             = Char        -- OK!
4572 type instance F (F a)              = a           -- WRONG: type parameter mentions a type family
4573 type instance F (forall a. (a, b)) = b           -- WRONG: a forall type appears in a type parameter
4574 type instance F Float              = forall a.a  -- WRONG: right-hand side may not be a forall type
4575
4576 type family G a b :: * -> *
4577 type instance G Int            = (,)     -- WRONG: must be two type parameters
4578 type instance G Int Char Float = Double  -- WRONG: must be two type parameters
4579 </programlisting>
4580     </para>
4581
4582     <sect4 id="assoc-type-instance">
4583       <title>Associated type instance declarations</title>
4584       <para>
4585         When an associated family instance is declared within a type class
4586         instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the family
4587         instance.  So, the <literal>[e]</literal> instance
4588         for <literal>Elem</literal> becomes: 
4589 <programlisting>
4590 instance (Eq (Elem [e])) => Collects ([e]) where
4591   type Elem [e] = e
4592   ...
4593 </programlisting>
4594         The most important point about associated family instances is that the
4595         type indexes corresponding to class parameters must be identical to the
4596         type given in the instance head; here this is <literal>[e]</literal>,
4597         which coincides with the only class parameter. 
4598       </para>
4599       <para>
4600         Instances for an associated family can only appear as part of  instances
4601         declarations of the class in which the family was declared - just as
4602         with the equations of the methods of a class.  Also in correspondence to
4603         how methods are handled, declarations of associated types can be omitted
4604         in class instances.  If an associated family instance is omitted, the
4605         corresponding instance type is not inhabited; i.e., only diverging
4606         expressions, such as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4607       </para>
4608     </sect4>
4609
4610     <sect4 id="type-family-overlap">
4611       <title>Overlap of type synonym instances</title>
4612       <para>
4613         The instance declarations of a type family used in a single program
4614         may only overlap if the right-hand sides of the overlapping instances
4615         coincide for the overlapping types.  More formally, two instance
4616         declarations overlap if there is a substitution that makes the
4617         left-hand sides of the instances syntactically the same.  Whenever
4618         that is the case, the right-hand sides of the instances must also be
4619         syntactically equal under the same substitution.  This condition is
4620         independent of whether the type family is associated or not, and it is
4621         not only a matter of consistency, but one of type safety. 
4622       </para>
4623       <para>
4624         Here are two example to illustrate the condition under which overlap
4625         is permitted. 
4626 <programlisting>
4627 type instance F (a, Int) = [a]
4628 type instance F (Int, b) = [b]   -- overlap permitted
4629
4630 type instance G (a, Int)  = [a]
4631 type instance G (Char, a) = [a]  -- ILLEGAL overlap, as [Char] /= [Int]
4632 </programlisting>
4633       </para>
4634     </sect4>
4635
4636     <sect4 id="type-family-decidability">
4637       <title>Decidability of type synonym instances</title>
4638       <para>
4639         In order to guarantee that type inference in the presence of type
4640         families decidable, we need to place a number of additional
4641         restrictions on the formation of type instance declarations (c.f.,
4642         Definition 5 (Relaxed Conditions) of &ldquo;<ulink 
4643         url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4644           Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;).  Instance
4645           declarations have the general form 
4646 <programlisting>
4647 type instance F t1 .. tn = t
4648 </programlisting>
4649         where we require that for every type family application <literal>(G s1
4650         .. sm)</literal> in <literal>t</literal>,  
4651         <orderedlist>
4652           <listitem>
4653             <para><literal>s1 .. sm</literal> do not contain any type family
4654             constructors,</para>
4655           </listitem>
4656           <listitem>
4657             <para>the total number of symbols (data type constructors and type
4658             variables) in <literal>s1 .. sm</literal> is strictly smaller than
4659             in <literal>t1 .. tn</literal>, and</para> 
4660           </listitem>
4661           <listitem>
4662             <para>for every type
4663             variable <literal>a</literal>, <literal>a</literal> occurs
4664             in <literal>s1 .. sm</literal> at most as often as in <literal>t1
4665             .. tn</literal>.</para>
4666           </listitem>
4667         </orderedlist>
4668         These restrictions are easily verified and ensure termination of type
4669         inference.  However, they are not sufficient to guarantee completeness
4670         of type inference in the presence of, so called, ''loopy equalities'',
4671         such as <literal>a ~ [F a]</literal>, where a recursive occurrence of
4672         a type variable is underneath a family application and data
4673         constructor application - see the above mentioned paper for details.   
4674       </para>
4675       <para>
4676         If the option <option>-XUndecidableInstances</option> is passed to the
4677         compiler, the above restrictions are not enforced and it is on the
4678         programmer to ensure termination of the normalisation of type families
4679         during type inference. 
4680       </para>
4681     </sect4>
4682   </sect3>
4683
4684   <sect3 id-="equality-constraints">
4685     <title>Equality constraints</title>
4686     <para>
4687       Type context can include equality constraints of the form <literal>t1 ~
4688       t2</literal>, which denote that the types <literal>t1</literal>
4689       and <literal>t2</literal> need to be the same.  In the presence of type
4690       families, whether two types are equal cannot generally be decided
4691       locally.  Hence, the contexts of function signatures may include
4692       equality constraints, as in the following example: 
4693 <programlisting>
4694 sumCollects :: (Collects c1, Collects c2, Elem c1 ~ Elem c2) => c1 -> c2 -> c2
4695 </programlisting>
4696       where we require that the element type of <literal>c1</literal>
4697       and <literal>c2</literal> are the same.  In general, the
4698       types <literal>t1</literal> and <literal>t2</literal> of an equality
4699       constraint may be arbitrary monotypes; i.e., they may not contain any
4700       quantifiers, independent of whether higher-rank types are otherwise
4701       enabled. 
4702     </para>
4703     <para>
4704       Equality constraints can also appear in class and instance contexts.
4705       The former enable a simple translation of programs using functional
4706       dependencies into programs using family synonyms instead.  The general
4707       idea is to rewrite a class declaration of the form 
4708 <programlisting>
4709 class C a b | a -> b
4710 </programlisting>
4711       to
4712 <programlisting>
4713 class (F a ~ b) => C a b where
4714   type F a
4715 </programlisting>
4716       That is, we represent every functional dependency (FD) <literal>a1 .. an
4717       -> b</literal> by an FD type family <literal>F a1 .. an</literal> and a
4718       superclass context equality <literal>F a1 .. an ~ b</literal>,
4719       essentially giving a name to the functional dependency.  In class
4720       instances, we define the type instances of FD families in accordance
4721       with the class head.  Method signatures are not affected by that
4722       process. 
4723     </para>
4724     <para>
4725       NB: Equalities in superclass contexts are not fully implemented in
4726       GHC 6.10. 
4727     </para>
4728   </sect3>
4729
4730   <sect3 id-="ty-fams-in-instances">
4731     <title>Type families and instance declarations</title>
4732     <para>Type families require us to extend the rules for 
4733       the form of instance heads, which are given 
4734       in <xref linkend="flexible-instance-head"/>.
4735       Specifically:
4736 <itemizedlist>
4737  <listitem><para>Data type families may appear in an instance head</para></listitem>
4738  <listitem><para>Type synonym families may not appear (at all) in an instance head</para></listitem>
4739 </itemizedlist>
4740 The reason for the latter restriction is that there is no way to check for. Consider
4741 <programlisting>
4742    type family F a
4743    type instance F Bool = Int
4744
4745    class C a
4746
4747    instance C Int
4748    instance C (F a)
4749 </programlisting>
4750 Now a constraint <literal>(C (F Bool))</literal> would match both instances.
4751 The situation is especially bad because the type instance for <literal>F Bool</literal>
4752 might be in another module, or even in a module that is not yet written.
4753 </para>
4754 </sect3>
4755 </sect2>
4756
4757 </sect1>
4758
4759 <sect1 id="other-type-extensions">
4760 <title>Other type system extensions</title>
4761
4762 <sect2 id="explicit-foralls"><title>Explicit universal quantification (forall)</title>
4763 <para>
4764 Haskell type signatures are implicitly quantified.  When the language option <option>-XExplicitForAll</option>
4765 is used, the keyword <literal>forall</literal>
4766 allows us to say exactly what this means.  For example:
4767 </para>
4768 <para>
4769 <programlisting>
4770         g :: b -> b
4771 </programlisting>
4772 means this:
4773 <programlisting>
4774         g :: forall b. (b -> b)
4775 </programlisting>
4776 The two are treated identically.
4777 </para>
4778 <para>
4779 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
4780 a type variable any more!
4781 </para>
4782 </sect2>
4783
4784
4785 <sect2 id="flexible-contexts"><title>The context of a type signature</title>
4786 <para>
4787 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag lifts the Haskell 98 restriction
4788 that the type-class constraints in a type signature must have the 
4789 form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
4790 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>. 
4791 With <option>-XFlexibleContexts</option>
4792 these type signatures are perfectly OK
4793 <programlisting>
4794   g :: Eq [a] => ...
4795   g :: Ord (T a ()) => ...
4796 </programlisting>
4797 The flag <option>-XFlexibleContexts</option> also lifts the corresponding
4798 restriction on class declarations (<xref linkend="superclass-rules"/>) and instance declarations
4799 (<xref linkend="instance-rules"/>).
4800 </para>
4801
4802 <para>
4803 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
4804 Consider the type:
4805
4806 <programlisting>
4807   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
4808 </programlisting>
4809
4810 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
4811 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
4812 explicit source-language type signature are universally quantified,
4813 except for the class type variables in a class declaration.  However,
4814 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="explicit-foralls"/>).
4815 </para>
4816
4817 <para>
4818
4819 <orderedlist>
4820 <listitem>
4821
4822 <para>
4823  <emphasis>Each universally quantified type variable
4824 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
4825
4826 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it appears
4827 in the same constraint as either a type variable free in
4828 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
4829 A value with a type that does not obey 
4830 this reachability restriction cannot be used without introducing
4831 ambiguity; that is why the type is rejected.
4832 Here, for example, is an illegal type:
4833
4834
4835 <programlisting>
4836   forall a. Eq a => Int
4837 </programlisting>
4838
4839
4840 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
4841 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
4842 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
4843 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
4844 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
4845 get any more information about <literal>tv</literal>.
4846 </para>
4847 <para>
4848 Note
4849 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
4850 functionally dependent on a type variable free in
4851 <literal>type</literal> (see <xref
4852 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
4853 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
4854 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
4855 For example, consider:
4856 <programlisting>
4857   class C a b | a -> b where ...
4858   class C a b => D a b where ...
4859   f :: forall a b. D a b => a -> a
4860 </programlisting>
4861 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
4862 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
4863 </para>
4864 </listitem>
4865 <listitem>
4866
4867 <para>
4868  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
4869 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
4870
4871 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
4872 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
4873
4874
4875 <programlisting>
4876   forall a. C a b => burble
4877 </programlisting>
4878
4879
4880 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
4881 mention <literal>a</literal>:
4882
4883
4884 <programlisting>
4885   forall a. Eq b => burble
4886 </programlisting>
4887
4888
4889 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
4890 excluded types are never useful or necessary (because the offending
4891 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
4892 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
4893 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
4894 territory free in case we need it later.
4895
4896 </para>
4897 </listitem>
4898
4899 </orderedlist>
4900
4901 </para>
4902
4903 </sect2>
4904
4905 <sect2 id="implicit-parameters">
4906 <title>Implicit parameters</title>
4907
4908 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
4909 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
4910 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
4911 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
4912 Boston, Jan 2000.
4913 </para>
4914
4915 <para>(Most of the following, still rather incomplete, documentation is
4916 due to Jeff Lewis.)</para>
4917
4918 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
4919 <option>-XImplicitParams</option>.</para>
4920
4921 <para>
4922 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
4923 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
4924 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
4925 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
4926 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
4927 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
4928 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
4929 only support static scoping of variables.
4930 </para>
4931 <para>
4932 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
4933 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
4934 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
4935 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
4936 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
4937 of type <literal>t'</literal>". For
4938 example, the following expresses the type of a sort function,
4939 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
4940 <programlisting>
4941   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4942 </programlisting>
4943 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
4944 </para>
4945 <para>
4946 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
4947 where <literal>x</literal> is
4948 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
4949 Use of this construct also introduces a new
4950 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
4951 For example, the following definition
4952 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
4953 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
4954 <programlisting>
4955   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
4956
4957   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4958   sort    = sortBy ?cmp
4959 </programlisting>
4960 </para>
4961
4962 <sect3>
4963 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
4964 <para>
4965 Dynamic binding constraints behave just like other type class
4966 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
4967 function is used, its implicit parameters are inherited by the
4968 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
4969 to pick out the least value in a list:
4970 <programlisting>
4971   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
4972   least xs = head (sort xs)
4973 </programlisting>
4974 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
4975 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
4976 parameters, the default is that parameters must always be explicit
4977 propagated. With implicit parameters, the default is to always
4978 propagate them.
4979 </para>
4980 <para>
4981 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
4982 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
4983 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
4984 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
4985 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
4986 class constraints.
4987 </para>
4988
4989 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
4990 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
4991 <programlisting>
4992   class (?x::Int) => C a where ...
4993   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
4994 </programlisting>
4995 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
4996 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
4997 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
4998 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
4999 <para>
5000 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
5001 <programlisting>
5002    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
5003    f n = n + length ?x
5004
5005    g :: (Read a, Show a) => String -> String
5006    g s = show (read s)
5007 </programlisting>
5008 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
5009 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
5010 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
5011 </para>
5012 </sect3>
5013
5014 <sect3>
5015 <title>Implicit-parameter bindings</title>
5016
5017 <para>
5018 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
5019 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
5020 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
5021 <literal>cmp</literal>.
5022 <programlisting>
5023   min :: [a] -> a
5024   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
5025 </programlisting>
5026 </para>
5027 <para>
5028 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
5029 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
5030 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
5031 or a <literal>where</literal> clause.
5032 Note the following points:
5033 <itemizedlist>
5034 <listitem><para>
5035 An implicit-parameter binding group must be a
5036 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
5037 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
5038 neither polymorphic or recursive.  
5039 </para></listitem>
5040 <listitem><para>
5041 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
5042 single <literal>let</literal>
5043 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
5044 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
5045 </para></listitem>
5046
5047 <listitem><para>
5048 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
5049 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
5050 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
5051 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
5052 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
5053 the meaning of the program.
5054 For example, consider:
5055 <programlisting>
5056   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
5057 </programlisting>
5058 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
5059 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
5060 <programlisting>
5061   f :: (?x::Int) => Int -> Int
5062 </programlisting>
5063 </para></listitem>
5064 </itemizedlist>
5065 </para>
5066
5067 </sect3>
5068
5069 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
5070
5071 <para>
5072 Consider these two definitions:
5073 <programlisting>
5074   len1 :: [a] -> Int
5075   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
5076
5077   len_acc1 [] = ?acc
5078   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
5079
5080   ------------
5081
5082   len2 :: [a] -> Int
5083   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
5084
5085   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
5086   len_acc2 [] = ?acc
5087   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
5088 </programlisting>
5089 The only difference between the two groups is that in the second group
5090 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
5091 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
5092 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
5093 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
5094 has a type signature, the recursive call is made to the
5095 <emphasis>polymorphic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
5096 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
5097 <programlisting>
5098   Prog> len1 "hello"
5099   0
5100   Prog> len2 "hello"
5101   5
5102 </programlisting>
5103 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
5104 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
5105 </para>
5106 </sect3>
5107
5108 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
5109
5110 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
5111 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
5112 <programlisting>
5113  f :: Int -> Int
5114   f v = let ?x = 0     in
5115         let y = ?x + v in
5116         let ?x = 5     in
5117         y
5118 </programlisting>
5119 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
5120 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
5121 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
5122 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
5123 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
5124 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
5125 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
5126 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
5127 <literal>14</literal>.
5128 </para>
5129 </sect3>
5130 </sect2>
5131
5132     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
5133
5134     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
5135     them from the 6.6 user manual
5136
5137 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
5138 <title>Linear implicit parameters</title>
5139 <para>
5140 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
5141 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
5142 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
5143 </para>
5144 <itemizedlist>
5145 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
5146 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
5147 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
5148 </itemizedlist>
5149
5150 <para>
5151 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
5152 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
5153 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
5154 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
5155 (The '/' in the '%' suggests the split!)
5156 </para>
5157 <para>
5158 For example:
5159 <programlisting>
5160     import GHC.Exts( Splittable )
5161
5162     data NameSupply = ...
5163     
5164     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
5165     newName :: NameSupply -> Name
5166
5167     instance Splittable NameSupply where
5168         split = splitNS
5169
5170
5171     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5172     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5173                     where
5174                       x'   = newName %ns
5175                       env' = extend env x x'
5176     ...more equations for f...
5177 </programlisting>
5178 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
5179 <itemizedlist>
5180 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
5181 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
5182 </itemizedlist>
5183 </para>
5184 <para>
5185 So the translation done by the type checker makes
5186 the parameter explicit:
5187 <programlisting>
5188     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
5189     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
5190                        where
5191                          (ns1,ns2) = splitNS ns
5192                          x' = newName ns2
5193                          env = extend env x x'
5194 </programlisting>
5195 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
5196 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
5197 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
5198 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
5199 <programlisting>
5200         class Splittable a where
5201           split :: a -> (a,a)
5202 </programlisting>
5203 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
5204 split for name supplies.  But we can simply write
5205 <programlisting>
5206         g x = (x, %ns, %ns)
5207 </programlisting>
5208 and GHC will infer
5209 <programlisting>
5210         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
5211 </programlisting>
5212 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
5213 <literal>GHC.Exts</literal>.
5214 </para>
5215 <para>
5216 Other points:
5217 <itemizedlist>
5218 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
5219 are entirely distinct implicit parameters: you 
5220   can use them together and they won't interfere with each other. </para>
5221 </listitem>
5222
5223 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
5224
5225 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
5226   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
5227 </itemizedlist>
5228 </para>
5229
5230 <sect3><title>Warnings</title>
5231
5232 <para>
5233 The monomorphism restriction is even more important than usual.
5234 Consider the example above:
5235 <programlisting>
5236     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5237     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5238                     where
5239                       x'   = newName %ns
5240                       env' = extend env x x'
5241 </programlisting>
5242 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
5243 usually a harmless thing to do, we get:
5244 <programlisting>
5245     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5246     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
5247                     where
5248                       env' = extend env x (newName %ns)
5249 </programlisting>
5250 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
5251 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
5252 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
5253 the beta rule.
5254 </para>
5255 <para>
5256 Well, this is an experimental change.  With implicit
5257 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
5258 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
5259 Haskell programs without knowing their typing.
5260 </para>
5261
5262 </sect3>
5263
5264 <sect3><title>Recursive functions</title>
5265 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
5266 Consider
5267 <programlisting>
5268         foo :: %x::T => Int -> [Int]
5269         foo 0 = []
5270         foo n = %x : foo (n-1)
5271 </programlisting>
5272 where T is some type in class Splittable.</para>
5273 <para>
5274 Do you get a list of all the same T's or all different T's
5275 (assuming that split gives two distinct T's back)?
5276 </para><para>
5277 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
5278 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
5279 translated term, where the implicit param is made explicit:
5280 <programlisting>
5281         foo x 0 = []
5282         foo x n = let (x1,x2) = split x
5283                   in x1 : foo x2 (n-1)
5284 </programlisting>
5285 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
5286 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
5287 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
5288 work.  So the translation becomes
5289 <programlisting>
5290         foo x = let
5291                   foom 0 = []
5292                   foom n = x : foom (n-1)
5293                 in
5294                 foom
5295 </programlisting>
5296 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
5297 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
5298 Yikes!
5299 </para><para>
5300 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
5301 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
5302 </para>
5303 </sect3>
5304
5305 </sect2>
5306
5307 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
5308
5309 <sect2 id="kinding">
5310 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
5311
5312 <para>
5313 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
5314 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
5315 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
5316 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
5317 John Hughes had to define the data type:
5318 <screen>
5319      data Set cxt a = Set [a]
5320                     | Unused (cxt a -> ())
5321 </screen>
5322 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
5323 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
5324 </para>
5325 <para>
5326 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
5327 a type variable is explicitly bound, with the flag <option>-XKindSignatures</option>.
5328 </para>
5329 <para>
5330 This flag enables kind signatures in the following places:
5331 <itemizedlist>
5332 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
5333 <screen>
5334   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
5335 </screen></para></listitem>
5336 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
5337 <screen>
5338   type T (f :: * -> *) = f Int
5339 </screen></para></listitem>
5340 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
5341 <screen>
5342   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
5343 </screen></para></listitem>
5344 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
5345 <screen>
5346   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
5347 </screen></para></listitem>
5348 </itemizedlist>
5349 </para>
5350
5351 <para>
5352 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
5353 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
5354 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
5355 single lexeme in Haskell.
5356 </para>
5357
5358 <para>
5359 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
5360 as well.  Thus:
5361 <screen>
5362    f :: (Int :: *) -> Int
5363    g :: forall a. a -> (a :: *)
5364 </screen>
5365 The syntax is
5366 <screen>
5367    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
5368 </screen>
5369 The parentheses are required.
5370 </para>
5371 </sect2>
5372
5373
5374 <sect2 id="universal-quantification">
5375 <title>Arbitrary-rank polymorphism
5376 </title>
5377
5378 <para>
5379 GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
5380 explicit universal quantification in
5381 types. 
5382 For example, all the following types are legal:
5383 <programlisting>
5384     f1 :: forall a b. a -> b -> a
5385     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
5386
5387     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
5388     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
5389
5390     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
5391
5392     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
5393 </programlisting>
5394 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
5395 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
5396 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
5397 is implicitly added by Haskell.
5398 </para>
5399 <para>
5400 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
5401 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
5402 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
5403 </para>
5404 <para>
5405 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
5406 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
5407 </para>
5408 <para>
5409 GHC has three flags to control higher-rank types:
5410 <itemizedlist>
5411 <listitem><para>
5412  <option>-XPolymorphicComponents</option>: data constructors (only) can have polymorphic argument types.
5413 </para></listitem>
5414 <listitem><para>
5415  <option>-XRank2Types</option>: any function (including data constructors) can have a rank-2 type.
5416 </para></listitem>
5417 <listitem><para>
5418  <option>-XRankNTypes</option>: any function (including data constructors) can have an arbitrary-rank type.
5419 That is,  you can nest <literal>forall</literal>s
5420 arbitrarily deep in function arrows.
5421 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
5422 including an operational type class context, is legal:
5423 <itemizedlist>
5424 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
5425 of a function arrow </para> </listitem>
5426 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
5427 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
5428 field type signatures.</para> </listitem>
5429 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
5430 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
5431 </itemizedlist>
5432 </para></listitem>
5433 </itemizedlist>
5434 </para>
5435
5436
5437 <sect3 id="univ">
5438 <title>Examples
5439 </title>
5440
5441 <para>
5442 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
5443 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
5444 </para>
5445
5446 <para>
5447
5448 <programlisting>
5449 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
5450
5451 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
5452                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
5453                         }
5454
5455 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
5456 </programlisting>
5457
5458 </para>
5459
5460 <para>
5461 The constructors have rank-2 types:
5462 </para>
5463
5464 <para>
5465
5466 <programlisting>
5467 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
5468 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
5469                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
5470                   -> MonadT m
5471 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
5472 </programlisting>
5473
5474 </para>
5475
5476 <para>
5477 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
5478 explicit context.  For example in the first argument of the
5479 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
5480 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
5481 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
5482 mentioned in the type quantified over.
5483 </para>
5484
5485 <para>
5486 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
5487 types too.  So if you write this:
5488
5489 <programlisting>
5490   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
5491 </programlisting>
5492
5493 it's just as if you had written this:
5494
5495 <programlisting>
5496   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
5497 </programlisting>
5498
5499 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
5500 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
5501 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
5502 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
5503 </para>
5504
5505 <para>
5506 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
5507 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
5508 </para>
5509
5510 <para>
5511
5512 <programlisting>
5513     a1 :: T Int
5514     a1 = T1 (\xy->x) 3
5515     
5516     a2, a3 :: Swizzle
5517     a2 = MkSwizzle sort
5518     a3 = MkSwizzle reverse
5519     
5520     a4 :: MonadT Maybe
5521     a4 = let r x = Just x
5522              b m k = case m of
5523                        Just y -> k y
5524                        Nothing -> Nothing
5525          in
5526          MkMonad r b
5527
5528     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
5529     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
5530 </programlisting>
5531
5532 </para>
5533
5534 <para>
5535 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
5536 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
5537 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
5538 </para>
5539
5540 <para>
5541 When you use pattern matching, the bound variables may now have
5542 polymorphic types.  For example:
5543 </para>
5544
5545 <para>
5546
5547 <programlisting>
5548     f :: T a -> a -> (a, Char)
5549     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5550
5551     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
5552     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
5553
5554     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
5555     h m [] = return m []
5556     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
5557                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
5558                  return m (y:ys)
5559 </programlisting>
5560
5561 </para>
5562
5563 <para>
5564 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
5565 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
5566 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
5567 matching.
5568 </para>
5569 </sect3>
5570
5571 <sect3>
5572 <title>Type inference</title>
5573
5574 <para>
5575 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
5576 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
5577 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
5578 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
5579 </para>
5580 <para>
5581 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
5582 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
5583 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
5584 </para>
5585 <para>
5586 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
5587 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
5588 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
5589 <programlisting>
5590      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
5591 </programlisting>
5592 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
5593 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
5594 <programlisting>
5595      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5596 </programlisting>
5597 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
5598 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
5599 one can give a type signature for the function itself:
5600 <programlisting>
5601      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5602      h f = (f True, f 'c')
5603 </programlisting>
5604 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
5605 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
5606 <programlisting>
5607     f :: T a -> a -> (a, Char)
5608     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5609 </programlisting>
5610 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
5611 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
5612 it needs to know.
5613 </para>
5614
5615 </sect3>
5616
5617
5618 <sect3 id="implicit-quant">
5619 <title>Implicit quantification</title>
5620
5621 <para>
5622 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
5623 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
5624 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
5625 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
5626 equivalent:
5627 <programlisting>
5628   f :: a -> a
5629   f :: forall a. a -> a
5630
5631   g (x::a) = let
5632                 h :: a -> b -> b
5633                 h x y = y
5634              in ...
5635   g (x::a) = let
5636                 h :: forall b. a -> b -> b
5637                 h x y = y
5638              in ...
5639 </programlisting>
5640 </para>
5641 <para>
5642 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
5643 point.  For example:
5644 <programlisting>
5645   f :: (a -> a) -> Int
5646            -- MEANS
5647   f :: forall a. (a -> a) -> Int
5648            -- NOT
5649   f :: (forall a. a -> a) -> Int
5650
5651
5652   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
5653            -- MEANS the illegal type
5654   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
5655            -- NOT
5656   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
5657 </programlisting>
5658 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
5659 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
5660 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
5661 for rank-2 types.
5662 </para>
5663 </sect3>
5664 </sect2>
5665
5666
5667 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
5668 <title>Impredicative polymorphism
5669 </title>
5670 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>, 
5671 enabled with <option>-XImpredicativeTypes</option>.  
5672 This means
5673 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
5674 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
5675 <programlisting>
5676   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
5677   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
5678   f Nothing  = Nothing
5679 </programlisting>
5680 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
5681 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
5682 [a])</literal>.
5683 </para>
5684 <para>The technical details of this extension are described in the paper
5685 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy/">Boxy types:
5686 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
5687 which appeared at ICFP 2006.  
5688 </para>
5689 </sect2>
5690
5691 <sect2 id="scoped-type-variables">
5692 <title>Lexically scoped type variables
5693 </title>
5694
5695 <para>
5696 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
5697 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
5698 <programlisting>
5699 f :: forall a. [a] -> [a]
5700 f xs = ys ++ ys
5701      where
5702        ys :: [a]
5703        ys = reverse xs
5704 </programlisting>
5705 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope,
5706 because of the explicit <literal>forall</literal> (<xref linkend="decl-type-sigs"/>).
5707 The type variables bound by a <literal>forall</literal> scope over
5708 the entire definition of the accompanying value declaration.
5709 In this example, the type variable <literal>a</literal> scopes over the whole 
5710 definition of <literal>f</literal>, including over
5711 the type signature for <varname>ys</varname>. 
5712 In Haskell 98 it is not possible to declare
5713 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
5714 it becomes possible to do so.
5715 </para>
5716 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
5717 <option>-XScopedTypeVariables</option>.  This flag implies <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
5718 </para>
5719 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
5720 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
5721 carefully!</para>
5722
5723 <sect3>
5724 <title>Overview</title>
5725
5726 <para>The design follows the following principles
5727 <itemizedlist>
5728 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
5729 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
5730 design.)</para></listitem>
5731 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
5732 type variables.  This means that every programmer-written type signature
5733 (including one that contains free scoped type variables) denotes a
5734 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
5735 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
5736 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
5737 changing the program.</para></listitem>
5738 </itemizedlist>
5739 </para>
5740 <para>
5741 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
5742 <itemizedlist>
5743 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
5744 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
5745 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
5746 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
5747 </itemizedlist>
5748 </para>
5749 <para>
5750 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantified over
5751 its free type variables (<ulink
5752 url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
5753 4.1.2</ulink> 
5754 of the Haskell Report).
5755 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
5756 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
5757 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
5758 then
5759 <programlisting>
5760   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
5761   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
5762   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
5763 </programlisting>
5764 </para>
5765
5766
5767 </sect3>
5768
5769
5770 <sect3 id="decl-type-sigs">
5771 <title>Declaration type signatures</title>
5772 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5773 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5774 explicitly-quantified
5775 type variables, in the definition of the named function.  For example:
5776 <programlisting>
5777   f :: forall a. [a] -> [a]
5778   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5779 </programlisting>
5780 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
5781 the definition of "<literal>f</literal>".
5782 </para>
5783 <para>This only happens if:
5784 <itemizedlist>
5785 <listitem><para> The quantification in <literal>f</literal>'s type
5786 signature is explicit.  For example:
5787 <programlisting>
5788   g :: [a] -> [a]
5789   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5790 </programlisting>
5791 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
5792 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
5793 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
5794 quantification rules.
5795 </para></listitem>
5796 <listitem><para> The signature gives a type for a function binding or a bare variable binding, 
5797 not a pattern binding.
5798 For example:
5799 <programlisting>
5800   f1 :: forall a. [a] -> [a]
5801   f1 (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5802
5803   f2 :: forall a. [a] -> [a]
5804   f2 = \(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5805
5806   f3 :: forall a. [a] -> [a] 
5807   Just f3 = Just (\(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ])   -- Not OK!
5808 </programlisting>
5809 The binding for <literal>f3</literal> is a pattern binding, and so its type signature
5810 does not bring <literal>a</literal> into scope.   However <literal>f1</literal> is a
5811 function binding, and <literal>f2</literal> binds a bare variable; in both cases
5812 the type signature brings <literal>a</literal> into scope.
5813 </para></listitem>
5814 </itemizedlist>
5815 </para>
5816 </sect3>
5817
5818 <sect3 id="exp-type-sigs">
5819 <title>Expression type signatures</title>
5820
5821 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5822 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5823 explicitly-quantified
5824 type variables, in the annotated expression.  For example:
5825 <programlisting>
5826   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
5827 </programlisting>
5828 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
5829 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
5830 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
5831 </para>
5832
5833 </sect3>
5834
5835 <sect3 id="pattern-type-sigs">
5836 <title>Pattern type signatures</title>
5837 <para>
5838 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
5839 signature</emphasis>. 
5840 For example:
5841 <programlisting>
5842   -- f and g assume that 'a' is already in scope
5843   f = \(x::Int, y::a) -> x
5844   g (x::a) = x
5845   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
5846 </programlisting>
5847 In the case where all the type variables in the pattern type signature are
5848 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
5849 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
5850 </para>
5851 <para>
5852 Unlike expression and declaration type signatures, pattern type signatures are not implicitly generalised.
5853 The pattern in a <emphasis>pattern binding</emphasis> may only mention type variables
5854 that are already in scope.  For example:
5855 <programlisting>
5856   f :: forall a. [a] -> (Int, [a])
5857   f xs = (n, zs)
5858     where
5859       (ys::[a], n) = (reverse xs, length xs) -- OK
5860       zs::[a] = xs ++ ys                     -- OK
5861
5862       Just (v::b) = ...  -- Not OK; b is not in scope
5863 </programlisting>
5864 Here, the pattern signatures for <literal>ys</literal> and <literal>zs</literal>
5865 are fine, but the one for <literal>v</literal> is not because <literal>b</literal> is
5866 not in scope. 
5867 </para>
5868 <para>
5869 However, in all patterns <emphasis>other</emphasis> than pattern bindings, a pattern
5870 type signature may mention a type variable that is not in scope; in this case,
5871 <emphasis>the signature brings that type variable into scope</emphasis>.
5872 This is particularly important for existential data constructors.  For example:
5873 <programlisting>
5874   data T = forall a. MkT [a]
5875
5876   k :: T -> T
5877   k (MkT [t::a]) = MkT t3
5878                  where
5879                    t3::[a] = [t,t,t]
5880 </programlisting>
5881 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
5882 variable that is not already in scope.  Indeed, it <emphasis>cannot</emphasis> already be in scope,
5883 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
5884 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
5885 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
5886 existentially-bound type variable.
5887 </para>
5888 <para>
5889 When a pattern type signature binds a type variable in this way, GHC insists that the 
5890 type variable is bound to a <emphasis>rigid</emphasis>, or fully-known, type variable.
5891 This means that any user-written type signature always stands for a completely known type.
5892 </para>
5893 <para>
5894 If all this seems a little odd, we think so too.  But we must have
5895 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
5896 could not name existentially-bound type variables in subsequent type signatures.
5897 </para>
5898 <para>
5899 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
5900 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
5901 scope.
5902 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
5903 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
5904 </para>
5905
5906
5907 </sect3>
5908
5909 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
5910
5911 <sect3 id="result-type-sigs">
5912 <title>Result type signatures</title>
5913
5914 <para>
5915 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
5916
5917 <programlisting>
5918   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5919   f x y :: [a] = [x,y,x]
5920
5921   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
5922
5923   h :: forall a. [a] -> a
5924   h xs = case xs of
5925             (y:ys) :: a -> y
5926 </programlisting>
5927 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
5928 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
5929 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
5930 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
5931 </para>
5932 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
5933 <para>
5934 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
5935 examples would parse quite differently with parentheses:
5936 <programlisting>
5937   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5938   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
5939
5940   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
5941
5942   h :: forall a. [a] -> a
5943   h xs = case xs of
5944             ((y:ys) :: a) -> y
5945 </programlisting>
5946 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
5947 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
5948 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
5949
5950 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
5951 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
5952 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
5953 consider how one would parse this:
5954 <programlisting>
5955   \ x :: a -> b -> x
5956 </programlisting>
5957 </para>
5958 </sect3>
5959
5960  -->
5961
5962 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
5963 <title>Class and instance declarations</title>
5964 <para>
5965
5966 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
5967 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
5968
5969
5970 <programlisting>
5971   class C a where
5972     op :: [a] -> a
5973
5974     op xs = let ys::[a]
5975                 ys = reverse xs
5976             in
5977             head ys
5978 </programlisting>
5979 </para>
5980 </sect3>
5981
5982 </sect2>
5983
5984
5985 <sect2 id="typing-binds">
5986 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
5987
5988 <para>
5989 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
5990 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
5991 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
5992 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
5993 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
5994 As each group is type-checked, any binders of the group that
5995 have
5996 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
5997 polymorphic type,
5998 and all others are monomorphic until the group is generalised 
5999 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
6000 </para>
6001
6002 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
6003 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/424440.html">Typing Haskell in
6004 Haskell</ulink>,
6005 GHC implements a more general scheme.  If <option>-XRelaxedPolyRec</option> is
6006 specified:
6007 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
6008 type signature</emphasis>.
6009 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
6010 typecheck.  For example, consider:
6011 <programlisting>
6012   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
6013   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
6014   
6015   g y = (y &lt;= y) || f True
6016 </programlisting>
6017 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
6018 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
6019 <literal>f</literal>,
6020 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
6021 hand side is ignored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
6022 type is generalised, to get
6023 <programlisting>
6024   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
6025 </programlisting>
6026 Now, the definition for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
6027 <literal>g</literal> in the type environment.
6028 </para>
6029
6030 <para>
6031 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
6032 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
6033 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
6034 <option>-XRelaxedPolyRec</option>
6035 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
6036 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
6037 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
6038 <programlisting>
6039   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
6040   f x = (x == x) || g True
6041   
6042   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
6043   g y = (y &lt;= y) || f True
6044 </programlisting>
6045 </para>
6046 </sect2>
6047
6048 <sect2 id="mono-local-binds">
6049 <title>Monomorphic local bindings</title>
6050 <para>
6051 We are actively thinking of simplifying GHC's type system, by <emphasis>not generalising local bindings</emphasis>.
6052 The rationale is described in the paper 
6053 <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/constraints/index.htm">Let should not be generalised</ulink>.
6054 </para>
6055 <para>
6056 The experimental new behaviour is enabled by the flag <option>-XMonoLocalBinds</option>.  The effect is
6057 that local (that is, non-top-level) bindings without a type signature are not generalised at all.  You can
6058 think of it as an extreme (but much more predictable) version of the Monomorphism Restriction.
6059 If you supply a type signature, then the flag has no effect.
6060 </para>
6061 </sect2>
6062
6063 </sect1>
6064 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
6065   
6066 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
6067
6068 <sect1 id="template-haskell">
6069 <title>Template Haskell</title>
6070
6071 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
6072 Haskell.  
6073 The background to
6074 the main technical innovations is discussed in "<ulink
6075 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/">
6076 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
6077 </para>
6078 <para>
6079 There is a Wiki page about
6080 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6081 http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell</ulink>, and that is the best place to look for
6082 further details.
6083 You may also 
6084 consult the <ulink
6085 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
6086 Haskell library reference material</ulink> 
6087 (look for module <literal>Language.Haskell.TH</literal>).
6088 Many changes to the original design are described in 
6089       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/notes2.ps">
6090 Notes on Template Haskell version 2</ulink>.
6091 Not all of these changes are in GHC, however.
6092 </para>
6093
6094 <para> The first example from that paper is set out below (<xref linkend="th-example"/>) 
6095 as a worked example to help get you started. 
6096 </para>
6097
6098 <para>
6099 The documentation here describes the realisation of Template Haskell in GHC.  It is not detailed enough to 
6100 understand Template Haskell; see the <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6101 Wiki page</ulink>.
6102 </para>
6103
6104     <sect2>
6105       <title>Syntax</title>
6106
6107       <para> Template Haskell has the following new syntactic
6108       constructions.  You need to use the flag
6109       <option>-XTemplateHaskell</option>
6110         <indexterm><primary><option>-XTemplateHaskell</option></primary>
6111       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
6112       (<option>-XTemplateHaskell</option> is no longer implied by
6113       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
6114
6115         <itemizedlist>
6116               <listitem><para>
6117                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
6118                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
6119                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
6120                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
6121                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
6122                   </para>
6123               <para> A splice can occur in place of 
6124                   <itemizedlist>
6125                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
6126                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
6127                     <listitem><para> an type; the spliced expression must
6128                     have type <literal>Q Typ</literal></para></listitem>
6129                     <listitem><para> a list of top-level declarations; the spliced expression 
6130                     must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
6131                     </itemizedlist>
6132             Inside a splice you can can only call functions defined in imported modules,
6133         not functions defined elsewhere in the same module.</para></listitem>
6134
6135               <listitem><para>
6136                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
6137                   <itemizedlist>
6138                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
6139                              the quotation has type <literal>Q Exp</literal>.</para></listitem>
6140                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
6141                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
6142                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;
6143                              the quotation has type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
6144                   </itemizedlist></para></listitem>
6145
6146               <listitem><para>
6147                   A quasi-quotation can appear in either a pattern context or an
6148                   expression context and is also written in Oxford brackets:
6149                   <itemizedlist>
6150                     <listitem><para> <literal>[$<replaceable>varid</replaceable>| ... |]</literal>,
6151                         where the "..." is an arbitrary string; a full description of the
6152                         quasi-quotation facility is given in <xref linkend="th-quasiquotation"/>.</para></listitem>
6153                   </itemizedlist></para></listitem>
6154
6155               <listitem><para>
6156                   A name can be quoted with either one or two prefix single quotes:
6157                   <itemizedlist>
6158                     <listitem><para> <literal>'f</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the function <literal>f</literal>.
6159                   Similarly <literal>'C</literal> has type <literal>Name</literal> and names the data constructor <literal>C</literal>.
6160                   In general <literal>'</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in an expression context.
6161                      </para></listitem> 
6162                     <listitem><para> <literal>''T</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the type constructor  <literal>T</literal>.
6163                   That is, <literal>''</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in a type context.
6164                      </para></listitem> 
6165                   </itemizedlist>
6166                   These <literal>Names</literal> can be used to construct Template Haskell expressions, patterns, declarations etc.  They
6167                   may also be given as an argument to the <literal>reify</literal> function.
6168                  </para>
6169                 </listitem>
6170
6171               <listitem><para> You may omit the <literal>$(...)</literal> in a top-level declaration splice. 
6172               Simply writing an expression (rather than a declaration) implies a splice.  For example, you can write
6173 <programlisting>
6174 module Foo where
6175 import Bar
6176
6177 f x = x
6178
6179 $(deriveStuff 'f)   -- Uses the $(...) notation
6180
6181 g y = y+1
6182
6183 deriveStuff 'g      -- Omits the $(...)
6184
6185 h z = z-1
6186 </programlisting>
6187             This abbreviation makes top-level declaration slices quieter and less intimidating.
6188             </para></listitem>
6189
6190                   
6191         </itemizedlist>
6192 (Compared to the original paper, there are many differences of detail.
6193 The syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>".
6194 The type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>.
6195 Pattern splices and quotations are not implemented.)
6196
6197 </sect2>
6198
6199 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
6200 <para>
6201 <itemizedlist>
6202     <listitem><para>
6203     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
6204     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
6205     </para></listitem>
6206
6207     <listitem><para>
6208     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
6209             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
6210             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
6211    </para></listitem>
6212
6213    <listitem><para>
6214    You can only run a function at compile time if it is imported
6215    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
6216    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  Furthermore, all of the modules of 
6217    the mutually-recursive group must be reachable by non-SOURCE imports from the module where the
6218    splice is to be run.</para>
6219    <para>
6220    For example, when compiling module A,
6221    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
6222    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
6223    </para></listitem>
6224
6225     <listitem><para>
6226             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
6227    </para></listitem>
6228     <listitem><para>
6229             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
6230               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
6231               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
6232               the program it compiles produces results whose representations are identical to
6233               those of the compiler itself.
6234    </para></listitem>
6235 </itemizedlist>
6236 </para>
6237 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
6238         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
6239         has been lifted.
6240 </para>
6241 </sect2>
6242  
6243 <sect2 id="th-example">  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
6244 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
6245   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
6246
6247 <programlisting>
6248
6249 {- Main.hs -}
6250 module Main where
6251
6252 -- Import our template "pr"
6253 import Printf ( pr )
6254
6255 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
6256 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
6257 -- the argument of "putStrLn".
6258 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
6259
6260
6261 {- Printf.hs -}
6262 module Printf where
6263
6264 -- Skeletal printf from the paper.
6265 -- It needs to be in a separate module to the one where
6266 -- you intend to use it.
6267
6268 -- Import some Template Haskell syntax
6269 import Language.Haskell.TH
6270
6271 -- Describe a format string
6272 data Format = D | S | L String
6273
6274 -- Parse a format string.  This is left largely to you
6275 -- as we are here interested in building our first ever
6276 -- Template Haskell program and not in building printf.
6277 parse :: String -> [Format]
6278 parse s   = [ L s ]
6279
6280 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
6281 -- of the format string.  This code will be spliced into
6282 -- the module which calls "pr", at compile time.
6283 gen :: [Format] -> Q Exp
6284 gen [D]   = [| \n -> show n |]
6285 gen [S]   = [| \s -> s |]
6286 gen [L s] = stringE s
6287
6288 -- Here we generate the Haskell code for the splice
6289 -- from an input format string.
6290 pr :: String -> Q Exp
6291 pr s = gen (parse s)
6292 </programlisting>
6293
6294 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
6295 </para>
6296 <programlisting>
6297 $ ghc --make -XTemplateHaskell main.hs -o main.exe
6298 </programlisting>
6299
6300 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
6301
6302 <programlisting>
6303 $ ./main
6304 Hello
6305 </programlisting>
6306
6307 </sect2>
6308
6309 <sect2>
6310 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
6311 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
6312  
6313 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
6314 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
6315 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
6316 itself is running; this means that the compiled code referred to by
6317 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
6318 in particular this means that object code that is compiled for
6319 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
6320 expression, because profiled object code is only compatible with the
6321 profiling version of the runtime.</para>
6322
6323 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
6324 containing Template Haskell code and you need to compile it for
6325 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
6326 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
6327 The basic idea is to compile the program twice:</para>
6328
6329 <orderedlist>
6330 <listitem>
6331   <para>Compile the program or library first the normal way, without
6332   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
6333 </listitem>
6334 <listitem>
6335   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
6336   additionally use <option>-osuf
6337   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
6338   to name the object files differently (you can choose any suffix
6339   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
6340   load the object files built in the first step when executing splice
6341   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
6342   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
6343   GHC will emit an error message. </para>
6344 </listitem>
6345 </orderedlist>
6346 </sect2>
6347
6348 <sect2 id="th-quasiquotation">  <title> Template Haskell Quasi-quotation </title>
6349 <para>Quasi-quotation allows patterns and expressions to be written using
6350 programmer-defined concrete syntax; the motivation behind the extension and
6351 several examples are documented in
6352 "<ulink url="http://www.eecs.harvard.edu/~mainland/ghc-quasiquoting/">Why It's
6353 Nice to be Quoted: Quasiquoting for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop
6354 2007). The example below shows how to write a quasiquoter for a simple
6355 expression language.</para>
6356
6357 <para>
6358 In the example, the quasiquoter <literal>expr</literal> is bound to a value of
6359 type <literal>Language.Haskell.TH.Quote.QuasiQuoter</literal> which contains two
6360 functions for quoting expressions and patterns, respectively. The first argument
6361 to each quoter is the (arbitrary) string enclosed in the Oxford brackets. The
6362 context of the quasi-quotation statement determines which of the two parsers is
6363 called: if the quasi-quotation occurs in an expression context, the expression
6364 parser is called, and if it occurs in a pattern context, the pattern parser is
6365 called.</para>
6366
6367 <para>
6368 Note that in the example we make use of an antiquoted
6369 variable <literal>n</literal>, indicated by the syntax <literal>'int:n</literal>
6370 (this syntax for anti-quotation was defined by the parser's
6371 author, <emphasis>not</emphasis> by GHC). This binds <literal>n</literal> to the
6372 integer value argument of the constructor <literal>IntExpr</literal> when
6373 pattern matching. Please see the referenced paper for further details regarding
6374 anti-quotation as well as the description of a technique that uses SYB to
6375 leverage a single parser of type <literal>String -> a</literal> to generate both
6376 an expression parser that returns a value of type <literal>Q Exp</literal> and a
6377 pattern parser that returns a value of type <literal>Q Pat</literal>.
6378 </para>
6379
6380 <para>In general, a quasi-quote has the form
6381 <literal>[$<replaceable>quoter</replaceable>| <replaceable>string</replaceable> |]</literal>.
6382 The <replaceable>quoter</replaceable> must be the name of an imported quoter; it
6383 cannot be an arbitrary expression.  The quoted <replaceable>string</replaceable> 
6384 can be arbitrary, and may contain newlines.
6385 </para>
6386 <para>
6387 Quasiquoters must obey the same stage restrictions as Template Haskell, e.g., in
6388 the example, <literal>expr</literal> cannot be defined
6389 in <literal>Main.hs</literal> where it is used, but must be imported.
6390 </para>
6391
6392 <programlisting>
6393
6394 {- Main.hs -}
6395 module Main where
6396
6397 import Expr
6398
6399 main :: IO ()
6400 main = do { print $ eval [$expr|1 + 2|]
6401           ; case IntExpr 1 of
6402               { [$expr|'int:n|] -> print n
6403               ;  _              -> return ()
6404               }
6405           }
6406
6407
6408 {- Expr.hs -}
6409 module Expr where
6410
6411 import qualified Language.Haskell.TH as TH
6412 import Language.Haskell.TH.Quote
6413
6414 data Expr  =  IntExpr Integer
6415            |  AntiIntExpr String
6416            |  BinopExpr BinOp Expr Expr
6417            |  AntiExpr String
6418     deriving(Show, Typeable, Data)
6419
6420 data BinOp  =  AddOp
6421             |  SubOp
6422             |  MulOp
6423             |  DivOp
6424     deriving(Show, Typeable, Data)
6425
6426 eval :: Expr -> Integer
6427 eval (IntExpr n)        = n
6428 eval (BinopExpr op x y) = (opToFun op) (eval x) (eval y)
6429   where
6430     opToFun AddOp = (+)
6431     opToFun SubOp = (-)
6432     opToFun MulOp = (*)
6433     opToFun DivOp = div
6434
6435 expr = QuasiQuoter parseExprExp parseExprPat
6436
6437 -- Parse an Expr, returning its representation as
6438 -- either a Q Exp or a Q Pat. See the referenced paper
6439 -- for how to use SYB to do this by writing a single
6440 -- parser of type String -> Expr instead of two
6441 -- separate parsers.
6442
6443 parseExprExp :: String -> Q Exp
6444 parseExprExp ...
6445
6446 parseExprPat :: String -> Q Pat
6447 parseExprPat ...
6448 </programlisting>
6449
6450 <para>Now run the compiler:
6451 </para>
6452 <programlisting>
6453 $ ghc --make -XQuasiQuotes Main.hs -o main
6454 </programlisting>
6455
6456 <para>Run "main" and here is your output:</para>
6457
6458 <programlisting>
6459 $ ./main
6460 3
6461 1
6462 </programlisting>
6463
6464 </sect2>
6465
6466 </sect1>
6467
6468 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
6469
6470 <sect1 id="arrow-notation">
6471 <title>Arrow notation
6472 </title>
6473
6474 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
6475 For more details, see
6476 <itemizedlist>
6477
6478 <listitem>
6479 <para>
6480 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
6481 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
6482 pp67&ndash;111, May 2000.
6483 The paper that introduced arrows: a friendly introduction, motivated with
6484 programming examples.
6485 </para>
6486 </listitem>
6487
6488 <listitem>
6489 <para>
6490 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
6491 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
6492 Introduced the notation described here.
6493 </para>
6494 </listitem>
6495
6496 <listitem>
6497 <para>
6498 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
6499 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
6500 Palgrave, 2003.
6501 </para>
6502 </listitem>
6503
6504 <listitem>
6505 <para>
6506 &ldquo;<ulink url="http://www.cs.chalmers.se/~rjmh/afp-arrows.pdf">Programming with Arrows</ulink>&rdquo;,
6507 John Hughes, in <citetitle>5th International Summer School on
6508 Advanced Functional Programming</citetitle>,
6509 <citetitle>Lecture Notes in Computer Science</citetitle> vol. 3622,
6510 Springer, 2004.
6511 This paper includes another introduction to the notation,
6512 with practical examples.
6513 </para>
6514 </listitem>
6515
6516 <listitem>
6517 <para>
6518 &ldquo;<ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/papers/arrow-rules.pdf">Type and Translation Rules for Arrow Notation in GHC</ulink>&rdquo;,
6519 Ross Paterson and Simon Peyton Jones, September 16, 2004.
6520 A terse enumeration of the formal rules used
6521 (extracted from comments in the source code).
6522 </para>
6523 </listitem>
6524
6525 <listitem>
6526 <para>
6527 The arrows web page at
6528 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
6529 </para>
6530 </listitem>
6531
6532 </itemizedlist>
6533 With the <option>-XArrows</option> flag, GHC supports the arrow
6534 notation described in the second of these papers,
6535 translating it using combinators from the
6536 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6537 module.
6538 What follows is a brief introduction to the notation;
6539 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
6540 </para>
6541
6542 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
6543 <screen>
6544 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
6545        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6546 </screen>
6547 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
6548 The variables of the pattern are bound in the body of the 
6549 <literal>proc</literal>-expression,
6550 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
6551 The syntax of commands is as follows:
6552 <screen>
6553 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
6554        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
6555        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
6556 </screen>
6557 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
6558 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
6559 infix operators as for expressions, and
6560 <screen>
6561 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6562        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
6563        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
6564        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
6565        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
6566        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
6567
6568 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
6569        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
6570        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
6571
6572 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
6573        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
6574        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
6575        |  <replaceable>cmd</replaceable>
6576 </screen>
6577 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
6578 except that the bodies are commands instead of expressions.
6579 </para>
6580
6581 <para>
6582 Commands produce values, but (like monadic computations)
6583 may yield more than one value,
6584 or none, and may do other things as well.
6585 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
6586 using commands.
6587 However the values of expressions, even monadic ones,
6588 are determined by the values of the variables they contain;
6589 this is not necessarily the case for commands.
6590 </para>
6591
6592 <para>
6593 A simple example of the new notation is the expression
6594 <screen>
6595 proc x -> f -&lt; x+1
6596 </screen>
6597 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
6598 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
6599 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
6600 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
6601 It refers to the input to the arrow.
6602 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
6603 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
6604 type and an expression to be fed as input to that arrow.
6605 (The weird look will make more sense later.)
6606 It may be read as analogue of application for arrows.
6607 The above example is equivalent to the Haskell expression
6608 <screen>
6609 arr (\ x -> x+1) >>> f
6610 </screen>
6611 That would make no sense if the expression to the left of
6612 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
6613 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
6614 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
6615 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
6616 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
6617 <screen>
6618 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
6619 </screen>
6620 which is equivalent to
6621 <screen>
6622 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
6623 </screen>
6624 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
6625 class.
6626 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
6627 you may find a monadic formulation more convenient.
6628 </para>
6629
6630 <sect2>
6631 <title>do-notation for commands</title>
6632
6633 <para>
6634 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
6635 For example, you can write
6636 <screen>
6637 proc x -> do
6638         y &lt;- f -&lt; x+1
6639         g -&lt; 2*y
6640         let z = x+y
6641         t &lt;- h -&lt; x*z
6642         returnA -&lt; t+z
6643 </screen>
6644 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
6645 but with commands in place of monadic expressions.
6646 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
6647 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
6648 <literal>y</literal>.
6649 In the next line, the output is discarded.
6650 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
6651 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6652 module as <literal>arr id</literal>.
6653 The above example is treated as an abbreviation for
6654 <screen>
6655 arr (\ x -> (x, x)) >>>
6656         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
6657         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
6658         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
6659         arr snd >>>
6660         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
6661         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
6662         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
6663         returnA
6664 </screen>
6665 Note that variables not used later in the composition are projected out.
6666 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
6667 defined in the
6668 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6669 module, this reduces to
6670 <screen>
6671 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
6672         first f >>>
6673         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
6674         first g >>>
6675         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
6676         first h >>>
6677         arr (\ (t, z) -> t+z)
6678 </screen>
6679 which is what you might have written by hand.
6680 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
6681 </para>
6682
6683 <para>
6684 Note that although the above translation suggests that
6685 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
6686 monomorphic, the actual translation produces Core,
6687 so polymorphic variables are allowed.
6688 </para>
6689
6690 <para>
6691 It's also possible to have mutually recursive bindings,
6692 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
6693 <programlisting>
6694 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
6695 counter = proc reset -> do
6696         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
6697                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
6698         returnA -&lt; output
6699 </programlisting>
6700 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
6701 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
6702 </para>
6703
6704 </sect2>
6705
6706 <sect2>
6707 <title>Conditional commands</title>
6708
6709 <para>
6710 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
6711 input for an arrow.
6712 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
6713 <screen>
6714 proc (x,y) ->
6715         if f x y
6716         then g -&lt; x+1
6717         else h -&lt; y+2
6718 </screen>
6719 which is translated to
6720 <screen>
6721 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
6722         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
6723 </screen>
6724 Since the translation uses <function>|||</function>,
6725 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
6726 </para>
6727
6728 <para>
6729 There are also <literal>case</literal> commands, like
6730 <screen>
6731 case input of
6732     [] -> f -&lt; ()
6733     [x] -> g -&lt; x+1
6734     x1:x2:xs -> do
6735         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
6736         ys &lt;- k -&lt; xs
6737         returnA -&lt; y:ys
6738 </screen>
6739 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
6740 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
6741 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
6742 </para>
6743
6744 </sect2>
6745
6746 <sect2>
6747 <title>Defining your own control structures</title>
6748
6749 <para>
6750 As we're seen, arrow notation provides constructs,
6751 modelled on those for expressions,
6752 for sequencing, value recursion and conditionals.
6753 But suitable combinators,
6754 which you can define in ordinary Haskell,
6755 may also be used to build new commands out of existing ones.
6756 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
6757 These environments assign values to the free local variables of the command.
6758 Thus combinators that produce arrows from arrows
6759 may also be used to build commands from commands.
6760 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
6761 <programlisting>
6762 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
6763 </programlisting>
6764 so we can use it to build commands:
6765 <programlisting>
6766 expr' = proc x -> do
6767                 returnA -&lt; x
6768         &lt;+> do
6769                 symbol Plus -&lt; ()
6770                 y &lt;- term -&lt; ()
6771                 expr' -&lt; x + y
6772         &lt;+> do
6773                 symbol Minus -&lt; ()
6774                 y &lt;- term -&lt; ()
6775                 expr' -&lt; x - y
6776 </programlisting>
6777 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
6778 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
6779 expression on the previous line.)
6780 This is equivalent to
6781 <programlisting>
6782 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
6783         &lt;+> (proc x -> do
6784                 symbol Plus -&lt; ()
6785                 y &lt;- term -&lt; ()
6786                 expr' -&lt; x + y)
6787         &lt;+> (proc x -> do
6788                 symbol Minus -&lt; ()
6789                 y &lt;- term -&lt; ()
6790                 expr' -&lt; x - y)
6791 </programlisting>
6792 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
6793 (representing the environment input to the command
6794 and thence to its subcommands)
6795 and satisfy the corresponding naturality property
6796 <screen>
6797 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
6798 </screen>
6799 at least for strict <literal>k</literal>.
6800 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
6801 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
6802 of the whole command,
6803 and also allows the translation to safely trim these environments.
6804 The operator must also not use any variable defined within the current
6805 arrow abstraction.
6806 </para>
6807
6808 <para>
6809 We could define our own operator
6810 <programlisting>
6811 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
6812 untilA body cond = proc x ->
6813         b &lt;- cond -&lt; x
6814         if b then returnA -&lt; ()
6815         else do
6816                 body -&lt; x
6817                 untilA body cond -&lt; x
6818 </programlisting>
6819 and use it in the same way.
6820 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
6821 there is also a more general syntax involving special brackets:
6822 <screen>
6823 proc x -> do
6824         y &lt;- f -&lt; x+1
6825         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
6826 </screen>
6827 </para>
6828
6829 </sect2>
6830
6831 <sect2>
6832 <title>Primitive constructs</title>
6833
6834 <para>
6835 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
6836 For example, in an arrow type supporting exceptions,
6837 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
6838 exception that occurred to the handler.
6839 Such an operator might have a type
6840 <screen>
6841 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
6842 </screen>
6843 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
6844 You could then use this with arrow notation by writing a command
6845 <screen>
6846 body `handleA` \ ex -> handler
6847 </screen>
6848 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
6849 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
6850 and the command <literal>handler</literal>,
6851 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
6852 Though the syntax here looks like a functional lambda,
6853 we are talking about commands, and something different is going on.
6854 The input to the arrow represented by a command consists of values for
6855 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
6856 In all the prior examples, this stack was empty.
6857 In the second argument to <function>handleA</function>,
6858 this stack consists of one value, the value of the exception.
6859 The command form of lambda merely gives this value a name.
6860 </para>
6861
6862 <para>
6863 More concretely,
6864 the values on the stack are paired to the right of the environment.
6865 So operators like <function>handleA</function> that pass
6866 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
6867 by pairing the values with the environment in this way.
6868 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
6869 should have the form
6870 <screen>
6871 a (...(e,t1), ... tn) t
6872 </screen>
6873 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
6874 (representing the environment)
6875 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
6876 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
6877 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
6878 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
6879 <replaceable>t</replaceable>.
6880 However the arrows involved need not be the same.
6881 Here are some more examples of suitable operators:
6882 <screen>
6883 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
6884 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
6885 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
6886 </screen>
6887 We can supply the extra input required by commands built with the last two
6888 by applying them to ordinary expressions, as in
6889 <screen>
6890 proc x -> do
6891         s &lt;- ...
6892         (|runReader (do { ... })|) s
6893 </screen>
6894 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
6895 built using <function>runReader</function>.
6896 </para>
6897
6898 <para>
6899 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
6900 the expression versions.
6901 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
6902 These three features (operators, lambda abstraction and application)
6903 are the core of the notation; everything else can be built using them,
6904 though the results would be somewhat clumsy.
6905 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
6906 <programlisting>
6907 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
6908 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
6909
6910 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
6911 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
6912 </programlisting>
6913 We could simulate <literal>if</literal> by defining
6914 <programlisting>
6915 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
6916 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
6917 </programlisting>
6918 </para>
6919
6920 </sect2>
6921
6922 <sect2>
6923 <title>Differences with the paper</title>
6924
6925 <itemizedlist>
6926
6927 <listitem>
6928 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
6929 translations, the implementation provides two forms
6930 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
6931 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
6932 </para>
6933 </listitem>
6934
6935 <listitem>
6936 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
6937 a new <literal>form</literal> keyword.
6938 </para>
6939 </listitem>
6940
6941 </itemizedlist>
6942
6943 </sect2>
6944
6945 <sect2>
6946 <title>Portability</title>
6947
6948 <para>
6949 Although only GHC implements arrow notation directly,
6950 there is also a preprocessor
6951 (available from the 
6952 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
6953 that translates arrow notation into Haskell 98
6954 for use with other Haskell systems.
6955 You would still want to check arrow programs with GHC;
6956 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
6957 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
6958 additional restrictions:
6959 <itemizedlist>
6960
6961 <listitem>
6962 <para>
6963 The module must import
6964 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
6965 </para>
6966 </listitem>
6967
6968 <listitem>
6969 <para>
6970 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
6971 These would have to go in separate modules.
6972 </para>
6973 </listitem>
6974
6975 <listitem>
6976 <para>
6977 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
6978 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
6979 </para>
6980 </listitem>
6981
6982 </itemizedlist>
6983 </para>
6984
6985 </sect2>
6986
6987 </sect1>
6988
6989 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
6990
6991 <sect1 id="bang-patterns">
6992 <title>Bang patterns
6993 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
6994 </title>
6995 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
6996 patterns</emphasis>, written <literal>!<replaceable>pat</replaceable></literal>.   
6997 Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
6998 The <ulink
6999 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
7000 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
7001 than the material below.
7002 </para>
7003 <para>
7004 The key change is the addition of a new rule to the 
7005 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">semantics of pattern matching in the Haskell 98 report</ulink>.
7006 Add new bullet 10, saying: Matching the pattern <literal>!</literal><replaceable>pat</replaceable> 
7007 against a value <replaceable>v</replaceable> behaves as follows:
7008 <itemizedlist>
7009 <listitem><para>if <replaceable>v</replaceable> is bottom, the match diverges</para></listitem>
7010 <listitem><para>otherwise, <replaceable>pat</replaceable> is matched against <replaceable>v</replaceable>  </para></listitem>
7011 </itemizedlist>
7012 </para>
7013 <para>
7014 Bang patterns are enabled by the flag <option>-XBangPatterns</option>.
7015 </para>
7016
7017 <sect2 id="bang-patterns-informal">
7018 <title>Informal description of bang patterns
7019 </title>
7020 <para>
7021 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
7022 <programlisting>
7023   pat ::= !pat
7024 </programlisting>
7025 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
7026 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
7027 Example:
7028 <programlisting>
7029 f1 !x = True
7030 </programlisting>
7031 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
7032 whereas without the bang it would be lazy.
7033 Bang patterns can be nested of course:
7034 <programlisting>
7035 f2 (!x, y) = [x,y]
7036 </programlisting>
7037 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
7038 <literal>y</literal>.  
7039 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
7040 <programlisting>
7041 f3 !(x,y) = [x,y]
7042 f4 (x,y)  = [x,y]
7043 </programlisting>
7044 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; 
7045 putting a bang before a pattern that
7046 forces evaluation anyway does nothing.
7047 </para>
7048 <para>
7049 There is one (apparent) exception to this general rule that a bang only
7050 makes a difference when it precedes a variable or wild-card: a bang at the
7051 top level of a <literal>let</literal> or <literal>where</literal>
7052 binding makes the binding strict, regardless of the pattern. For example:
7053 <programlisting>
7054 let ![x,y] = e in b
7055 </programlisting>
7056 is a strict binding: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
7057 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>.
7058 (We say "apparent" exception because the Right Way to think of it is that the bang
7059 at the top of a binding is not part of the <emphasis>pattern</emphasis>; rather it
7060 is part of the syntax of the <emphasis>binding</emphasis>.)
7061 Nested bangs in a pattern binding behave uniformly with all other forms of 
7062 pattern matching.  For example
7063 <programlisting>
7064 let (!x,[y]) = e in b
7065 </programlisting>
7066 is equivalent to this:
7067 <programlisting>
7068 let { t = case e of (x,[y]) -> x `seq` (x,y)
7069       x = fst t
7070       y = snd t }
7071 in b
7072 </programlisting>
7073 The binding is lazy, but when either <literal>x</literal> or <literal>y</literal> is
7074 evaluated by <literal>b</literal> the entire pattern is matched, including forcing the
7075 evaluation of <literal>x</literal>.
7076 </para>
7077 <para>
7078 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
7079 <programlisting>
7080 g5 x = let y = f x in body
7081 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
7082 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
7083 </programlisting>
7084 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
7085 But <literal>g7</literal> evaluates <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
7086 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
7087 </para>
7088 </sect2>
7089
7090
7091 <sect2 id="bang-patterns-sem">
7092 <title>Syntax and semantics
7093 </title>
7094 <para>
7095
7096 We add a single new production to the syntax of patterns:
7097 <programlisting>
7098   pat ::= !pat
7099 </programlisting>
7100 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
7101 <programlisting>
7102 f !x = 3
7103 </programlisting>
7104 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
7105 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
7106 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
7107 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
7108 prefix notation:
7109 <programlisting>
7110 (!) f x = 3
7111 </programlisting>
7112 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
7113 url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
7114 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
7115 one extra item 10, saying:
7116 <itemizedlist><listitem><para>Matching
7117 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
7118 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
7119                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
7120                 <literal>v</literal></para></listitem>
7121 </itemizedlist>
7122 </para></listitem></itemizedlist>
7123 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
7124 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
7125 <programlisting>
7126 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
7127    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
7128 </programlisting>
7129 </para><para>
7130 That leaves let expressions, whose translation is given in 
7131 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
7132 3.12</ulink>
7133 of the Haskell Report.
7134 In the translation box, first apply 
7135 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
7136 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
7137 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
7138 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
7139 </para>
7140 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
7141 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
7142 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
7143 thus:
7144 <programlisting>
7145   let !y = f x in b
7146 </programlisting>
7147
7148 </para>
7149 <para>
7150 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
7151 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
7152 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
7153      is equivalent to
7154 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
7155 </para>
7156 <para>
7157 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
7158 a module.
7159 </para>
7160 </sect2>
7161 </sect1>
7162
7163 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
7164
7165 <sect1 id="assertions">
7166 <title>Assertions
7167 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
7168 </title>
7169
7170 <para>
7171 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
7172 could define a function like the following:
7173 </para>
7174
7175 <para>
7176
7177 <programlisting>
7178 assert :: Bool -> a -> a
7179 assert False x = error "assertion failed!"
7180 assert _     x = x
7181 </programlisting>
7182
7183 </para>
7184
7185 <para>
7186 which works, but gives you back a less than useful error message --
7187 an assertion failed, but which and where?
7188 </para>
7189
7190 <para>
7191 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
7192 takes a descriptive string to include in the error message and
7193 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
7194 the source location where <function>assert</function> was used.
7195 </para>
7196
7197 <para>
7198 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
7199 use of <function>assert</function> in the user's source:
7200 </para>
7201
7202 <para>
7203
7204 <programlisting>
7205 kelvinToC :: Double -> Double
7206 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
7207 </programlisting>
7208
7209 </para>
7210
7211 <para>
7212 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
7213 assertion was made,
7214 </para>
7215
7216 <para>
7217
7218 <programlisting>
7219 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
7220 </programlisting>
7221
7222 </para>
7223
7224 <para>
7225 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
7226 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
7227 can still define and use your own versions of
7228 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
7229 <literal>Control.Exception</literal> to make use
7230 <function>assert</function> in your code.
7231 </para>
7232
7233 <para>
7234 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
7235       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
7236 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
7237 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
7238       <option>-fignore-asserts</option>
7239       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
7240       </indexterm>.</para>
7241
7242 <para>
7243 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
7244 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
7245 </para>
7246
7247 </sect1>
7248
7249
7250 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
7251
7252   <sect1 id="pragmas">
7253     <title>Pragmas</title>
7254
7255     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
7256
7257     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
7258     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
7259     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
7260     of the generated code.</para>
7261
7262     <para>Pragmas all take the form
7263
7264 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
7265
7266     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
7267     pragma, and is followed optionally by information specific to that
7268     type of pragma.  Case is ignored in
7269     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
7270     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
7271     in the following sections; any pragma encountered with an
7272     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is
7273     ignored. The layout rule applies in pragmas, so the closing <literal>#-}</literal>
7274     should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>. </para> 
7275
7276     <para>Certain pragmas are <emphasis>file-header pragmas</emphasis>:
7277       <itemizedlist>
7278       <listitem><para>
7279           A file-header
7280           pragma must precede the <literal>module</literal> keyword in the file.
7281           </para></listitem>
7282       <listitem><para>
7283       There can be as many file-header pragmas as you please, and they can be
7284       preceded or followed by comments.  
7285           </para></listitem>
7286       <listitem><para>
7287       File-header pragmas are read once only, before
7288       pre-processing the file (e.g. with cpp).
7289           </para></listitem>
7290       <listitem><para>
7291          The file-header pragmas are: <literal>{-# LANGUAGE #-}</literal>,
7292         <literal>{-# OPTIONS_GHC #-}</literal>, and
7293         <literal>{-# INCLUDE #-}</literal>.
7294           </para></listitem>
7295       </itemizedlist>
7296       </para>
7297
7298     <sect2 id="language-pragma">
7299       <title>LANGUAGE pragma</title>
7300
7301       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7302       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
7303
7304       <para>The <literal>LANGUAGE</literal> pragma allows language extensions to be enabled 
7305         in a portable way.
7306         It is the intention that all Haskell compilers support the
7307         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
7308         all extensions are supported by all compilers, of
7309         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
7310         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
7311
7312       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
7313
7314 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
7315
7316         <para><literal>LANGUAGE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7317
7318       <para>Every language extension can also be turned into a command-line flag
7319         by prefixing it with "<literal>-X</literal>"; for example <option>-XForeignFunctionInterface</option>.
7320         (Similarly, all "<literal>-X</literal>" flags can be written as <literal>LANGUAGE</literal> pragmas.
7321       </para>
7322
7323       <para>A list of all supported language extensions can be obtained by invoking
7324         <literal>ghc --supported-languages</literal> (see <xref linkend="modes"/>).</para>
7325
7326       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
7327         <ulink
7328           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink>
7329         may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
7330     </sect2>
7331
7332
7333     <sect2 id="options-pragma">
7334       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
7335       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
7336       </indexterm>
7337       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
7338       </indexterm>
7339
7340       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
7341       additional options that are given to the compiler when compiling
7342       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
7343       details.</para>
7344
7345       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
7346         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
7347     </sect2>
7348
7349         <para><literal>OPTIONS_GHC</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7350
7351     <sect2 id="include-pragma">
7352       <title>INCLUDE pragma</title>
7353
7354       <para>The <literal>INCLUDE</literal> used to be necessary for
7355         specifying header files to be included when using the FFI and
7356         compiling via C.  It is no longer required for GHC, but is
7357         accepted (and ignored) for compatibility with other
7358         compilers.</para>
7359     </sect2>
7360
7361     <sect2 id="warning-deprecated-pragma">
7362       <title>WARNING and DEPRECATED pragmas</title>
7363       <indexterm><primary>WARNING</primary></indexterm>
7364       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary></indexterm>
7365
7366       <para>The WARNING pragma allows you to attach an arbitrary warning
7367       to a particular function, class, or type.
7368       A DEPRECATED pragma lets you specify that
7369       a particular function, class, or type is deprecated.
7370       There are two ways of using these pragmas.
7371
7372       <itemizedlist>
7373         <listitem>
7374           <para>You can work on an entire module thus:</para>
7375 <programlisting>
7376    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
7377      ...
7378 </programlisting>
7379       <para>Or:</para>
7380 <programlisting>
7381    module Wibble {-# WARNING "This is an unstable interface." #-} where
7382      ...
7383 </programlisting>
7384           <para>When you compile any module that import
7385           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
7386           message.</para>
7387         </listitem>
7388
7389         <listitem>
7390           <para>You can attach a warning to a function, class, type, or data constructor, with the
7391           following top-level declarations:</para>
7392 <programlisting>
7393    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
7394    {-# WARNING unsafePerformIO "This is unsafe; I hope you know what you're doing" #-}
7395 </programlisting>
7396           <para>When you compile any module that imports and uses any
7397           of the specified entities, GHC will print the specified
7398           message.</para>
7399           <para> You can only attach to entities declared at top level in the module
7400           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
7401           entities. A capitalised name, such as <literal>T</literal>
7402           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
7403           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
7404           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to
7405       specify one without the other (c.f. fixities
7406       <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
7407         </listitem>
7408       </itemizedlist>
7409       Warnings and deprecations are not reported for
7410       (a) uses within the defining module, and
7411       (b) uses in an export list.
7412       The latter reduces spurious complaints within a library
7413       in which one module gathers together and re-exports 
7414       the exports of several others.
7415       </para>
7416       <para>You can suppress the warnings with the flag
7417       <option>-fno-warn-warnings-deprecations</option>.</para>
7418     </sect2>
7419
7420     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
7421       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
7422
7423       <para>These pragmas control the inlining of function
7424       definitions.</para>
7425
7426       <sect3 id="inline-pragma">
7427         <title>INLINE pragma</title>
7428         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
7429
7430         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
7431         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
7432         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
7433         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
7434         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
7435         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
7436         export that unfolding for other modules to use.</para>
7437
7438         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
7439         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
7440         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
7441
7442 <programlisting>
7443 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
7444 {-# INLINE key_function #-}
7445 </programlisting>
7446
7447         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
7448         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
7449         The normal unfolding machinery will then be very keen to
7450         inline it.  However, an <literal>INLINE</literal> pragma for a 
7451         function "<literal>f</literal>" has a number of other effects:
7452 <itemizedlist>
7453 <listitem><para>
7454 No functions are inlined into <literal>f</literal>.  Otherwise
7455 GHC might inline a big function into <literal>f</literal>'s right hand side, 
7456 making <literal>f</literal> big; and then inline <literal>f</literal> blindly.
7457 </para></listitem>
7458 <listitem><para>
7459 The float-in, float-out, and common-sub-expression transformations are not 
7460 applied to the body of <literal>f</literal>.  
7461 </para></listitem>
7462 <listitem><para>
7463 An INLINE function is not worker/wrappered by strictness analysis.
7464 It's going to be inlined wholesale instead.
7465 </para></listitem>
7466 </itemizedlist>
7467 All of these effects are aimed at ensuring that what gets inlined is
7468 exactly what you asked for, no more and no less.
7469 </para>
7470 <para>GHC ensures that inlining cannot go on forever: every mutually-recursive
7471 group is cut by one or more <emphasis>loop breakers</emphasis> that is never inlined
7472 (see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/Papers/inlining/index.htm">
7473 Secrets of the GHC inliner, JFP 12(4) July 2002</ulink>).
7474 GHC tries not to select a function with an INLINE pragma as a loop breaker, but
7475 when there is no choice even an INLINE function can be selected, in which case
7476 the INLINE pragma is ignored.
7477 For example, for a self-recursive function, the loop breaker can only be the function
7478 itself, so an INLINE pragma is always ignored.</para>
7479
7480         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
7481         function can be put anywhere its type signature could be
7482         put.</para>
7483
7484         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
7485         good idea for the
7486         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
7487         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
7488         a monad.  For example, in GHC's own
7489         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
7490
7491 <programlisting>
7492 {-# INLINE thenUs #-}
7493 {-# INLINE returnUs #-}
7494 </programlisting>
7495
7496         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
7497         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
7498
7499         <para>Note: the HBC compiler doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas,
7500           so if you want your code to be HBC-compatible you'll have to surround
7501           the pragma with C pre-processor directives 
7502           <literal>#ifdef __GLASGOW_HASKELL__</literal>...<literal>#endif</literal>.</para>
7503
7504       </sect3>
7505
7506       <sect3 id="noinline-pragma">
7507         <title>NOINLINE pragma</title>
7508         
7509         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
7510         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
7511
7512         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
7513         you'd expect: it stops the named function from being inlined
7514         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
7515         you're very cautious about code size.</para>
7516
7517         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
7518         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
7519         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
7520         inlining, so it should be used if you want your code to be
7521         portable).</para>
7522       </sect3>
7523
7524       <sect3 id="phase-control">
7525         <title>Phase control</title>
7526
7527         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
7528         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
7529         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
7530         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
7531         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
7532         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
7533         sequence of phase numbers for successive runs of the
7534         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
7535         phase number, thus:
7536         <itemizedlist>
7537           <listitem>
7538             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7539             <literal>f</literal>
7540               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7541               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
7542             </para></listitem>
7543           <listitem>
7544             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
7545             <literal>f</literal>
7546               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7547               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7548             </para></listitem>
7549           <listitem>
7550             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7551             <literal>f</literal>
7552               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7553               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
7554               there was no pragma).
7555             </para></listitem>
7556             <listitem>
7557             <para>"<literal>NOINLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
7558             <literal>f</literal>
7559               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7560               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7561             </para></listitem>
7562         </itemizedlist>
7563 The same information is summarised here:
7564 <programlisting>
7565                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
7566   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
7567   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
7568   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
7569   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
7570
7571   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
7572   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
7573 </programlisting>
7574 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
7575 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
7576 Another way to understand the semantics is this:
7577 <itemizedlist>
7578 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
7579 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
7580 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
7581 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
7582 happen.
7583 </para></listitem>
7584 </itemizedlist>
7585 </para>
7586 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
7587         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
7588       </sect3>
7589     </sect2>
7590
7591     <sect2 id="annotation-pragmas">
7592       <title>ANN pragmas</title>
7593       
7594       <para>GHC offers the ability to annotate various code constructs with additional
7595       data by using three pragmas.  This data can then be inspected at a later date by
7596       using GHC-as-a-library.</para>
7597             
7598       <sect3 id="ann-pragma">
7599         <title>Annotating values</title>
7600         
7601         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7602         
7603         <para>Any expression that has both <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances may be attached to a top-level value
7604         binding using an <literal>ANN</literal> pragma. In particular, this means you can use <literal>ANN</literal>
7605         to annotate data constructors (e.g. <literal>Just</literal>) as well as normal values (e.g. <literal>take</literal>).
7606         By way of example, to annotate the function <literal>foo</literal> with the annotation <literal>Just "Hello"</literal>
7607         you would do this:</para>
7608         
7609 <programlisting>
7610 {-# ANN foo (Just "Hello") #-}
7611 foo = ...
7612 </programlisting>
7613         
7614         <para>
7615           A number of restrictions apply to use of annotations:
7616           <itemizedlist>
7617             <listitem><para>The binder being annotated must be at the top level (i.e. no nested binders)</para></listitem>
7618             <listitem><para>The binder being annotated must be declared in the current module</para></listitem>
7619             <listitem><para>The expression you are annotating with must have a type with <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances</para></listitem>
7620             <listitem><para>The <ulink linkend="using-template-haskell">Template Haskell staging restrictions</ulink> apply to the
7621             expression being annotated with, so for example you cannot run a function from the module being compiled.</para>
7622             
7623             <para>To be precise, the annotation <literal>{-# ANN x e #-}</literal> is well staged if and only if <literal>$(e)</literal> would be 
7624             (disregarding the usual type restrictions of the splice syntax, and the usual restriction on splicing inside a splice - <literal>$([|1|])</literal> is fine as an annotation, albeit redundant).</para></listitem>
7625           </itemizedlist>
7626           
7627           If you feel strongly that any of these restrictions are too onerous, <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/MailingListsAndIRC">
7628           please give the GHC team a shout</ulink>.
7629         </para>
7630         
7631         <para>However, apart from these restrictions, many things are allowed, including expressions which are not fully evaluated!
7632         Annotation expressions will be evaluated by the compiler just like Template Haskell splices are. So, this annotation is fine:</para>
7633         
7634 <programlisting>
7635 {-# ANN f SillyAnnotation { foo = (id 10) + $([| 20 |]), bar = 'f } #-}
7636 f = ...
7637 </programlisting>
7638       </sect3>
7639       
7640       <sect3 id="typeann-pragma">
7641         <title>Annotating types</title>
7642         
7643         <indexterm><primary>ANN type</primary></indexterm>
7644         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7645         
7646         <para>You can annotate types with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>type</literal> keyword. For example:</para>
7647         
7648 <programlisting>
7649 {-# ANN type Foo (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7650 data Foo = ...
7651 </programlisting>
7652       </sect3>
7653       
7654       <sect3 id="modann-pragma">
7655         <title>Annotating modules</title>
7656         
7657         <indexterm><primary>ANN module</primary></indexterm>
7658         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7659         
7660         <para>You can annotate modules with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>module</literal> keyword. For example:</para>
7661         
7662 <programlisting>
7663 {-# ANN module (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7664 </programlisting>
7665       </sect3>
7666     </sect2>
7667
7668     <sect2 id="line-pragma">
7669       <title>LINE pragma</title>
7670
7671       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7672       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
7673       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
7674       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
7675       code.  It lets you specify the line number and filename of the
7676       original code; for example</para>
7677
7678 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
7679
7680       <para>if you'd generated the current file from something called
7681       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
7682       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
7683       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
7684       pragma.</para>
7685     </sect2>
7686
7687     <sect2 id="rules">
7688       <title>RULES pragma</title>
7689
7690       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
7691       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
7692     </sect2>
7693
7694     <sect2 id="specialize-pragma">
7695       <title>SPECIALIZE pragma</title>
7696
7697       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7698       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
7699       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7700
7701       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
7702       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
7703       specialised to particular types.  Thus, if you have an
7704       overloaded function:</para>
7705
7706 <programlisting>
7707   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
7708 </programlisting>
7709
7710       <para>If it is heavily used on lists with
7711       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
7712       follows:</para>
7713
7714 <programlisting>
7715   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
7716 </programlisting>
7717
7718       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
7719       be put anywhere its type signature could be put.</para>
7720
7721       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
7722       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
7723       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
7724       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
7725
7726       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
7727         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
7728         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
7729 <programlisting>
7730   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
7731 </programlisting>
7732       is valid if and only if the definition
7733 <programlisting>
7734   f_spec :: &lt;type&gt;
7735   f_spec = f
7736 </programlisting>
7737       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
7738       for the original function, not its code):
7739 <programlisting>
7740   f :: Eq a => a -> b -> b
7741   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
7742
7743   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
7744   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
7745
7746   h :: Eq a => a -> a -> a
7747   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
7748 </programlisting>
7749 The last of these examples will generate a 
7750 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
7751 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
7752 </para>
7753
7754 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
7755 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
7756 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
7757 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised version of the
7758 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
7759 example is this:
7760 <programlisting>
7761 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
7762 data Arr e where
7763   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
7764   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
7765
7766 (!:) :: Arr e -> Int -> e
7767 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
7768 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
7769 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
7770 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
7771 </programlisting>
7772 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
7773 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
7774 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
7775 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
7776 <literal>(!:)</literal>,
7777 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
7778 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
7779 unrolling of the indexing function.</para>
7780 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
7781 on an ordinarily-recursive function.</para>
7782
7783       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
7784       specialised function for a given type:
7785
7786 <programlisting>
7787 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
7788 </programlisting>
7789
7790       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
7791       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
7792
7793     </sect2>
7794
7795 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
7796 <title>SPECIALIZE instance pragma
7797 </title>
7798
7799 <para>
7800 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7801 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7802 Same idea, except for instance declarations.  For example:
7803
7804 <programlisting>
7805 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
7806    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
7807    ... usual stuff ...
7808  }
7809 </programlisting>
7810 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
7811 of the instance declaration.
7812 </para>
7813 <para>
7814 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
7815 of the pragma.
7816 </para>
7817
7818 </sect2>
7819
7820     <sect2 id="unpack-pragma">
7821       <title>UNPACK pragma</title>
7822
7823       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
7824       
7825       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
7826       that it should unpack the contents of a constructor field into
7827       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
7828       example:</para>
7829
7830 <programlisting>
7831 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
7832            {-# UNPACK #-} !Float
7833 </programlisting>
7834
7835       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
7836       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
7837       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
7838       floats passed to a non-strict function for example, they will
7839       have to be reboxed (this is done automatically by the
7840       compiler).</para>
7841
7842       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
7843       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
7844       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
7845       often as possible.  For example:</para>
7846
7847 <programlisting>
7848 f :: T -&#62; Float
7849 f (T f1 f2) = f1 + f2
7850 </programlisting>
7851
7852       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
7853       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
7854       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
7855
7856       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
7857       example</para>
7858
7859 <programlisting>
7860 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
7861 </programlisting>
7862
7863       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
7864       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
7865       Multi-level unpacking is also supported:
7866
7867 <programlisting>
7868 data T = T {-# UNPACK #-} !S
7869 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
7870 </programlisting>
7871
7872       will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
7873       directly in the <function>T</function> constructor.  The
7874       unpacker can see through newtypes, too.</para>
7875
7876       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
7877       so it might be an idea to check the generated code with
7878       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
7879
7880       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
7881       which essentially has the effect of adding
7882       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
7883       constructor field.</para>
7884     </sect2>
7885
7886     <sect2 id="source-pragma">
7887       <title>SOURCE pragma</title>
7888
7889       <indexterm><primary>SOURCE</primary></indexterm>
7890      <para>The <literal>{-# SOURCE #-}</literal> pragma is used only in <literal>import</literal> declarations,
7891      to break a module loop.  It is described in detail in <xref linkend="mutual-recursion"/>.
7892      </para>
7893 </sect2>
7894
7895 </sect1>
7896
7897 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
7898
7899 <sect1 id="rewrite-rules">
7900 <title>Rewrite rules
7901
7902 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
7903 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
7904 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
7905
7906 <para>
7907 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
7908 (in a pragma).  
7909 Here is an example:
7910
7911 <programlisting>
7912   {-# RULES
7913   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7914     #-}
7915 </programlisting>
7916 </para>
7917 <para>
7918 Use the debug flag <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules fired.
7919 If you need more information, then <option>-ddump-rule-firings</option> shows you
7920 each individual rule firing in detail.
7921 </para>
7922
7923 <sect2>
7924 <title>Syntax</title>
7925
7926 <para>
7927 From a syntactic point of view:
7928
7929 <itemizedlist>
7930
7931 <listitem>
7932 <para>
7933  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma, separated by semicolons (which
7934  may be generated by the layout rule).
7935 </para>
7936 </listitem>
7937
7938 <listitem>
7939 <para>
7940 The layout rule applies in a pragma.
7941 Currently no new indentation level
7942 is set, so if you put several rules in single RULES pragma and wish to use layout to separate them,
7943 you must lay out the starting in the same column as the enclosing definitions.
7944 <programlisting>
7945   {-# RULES
7946   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7947   "map/append" forall f xs ys. map f (xs ++ ys) = map f xs ++ map f ys
7948     #-}
7949 </programlisting>
7950 Furthermore, the closing <literal>#-}</literal>
7951 should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>.
7952 </para>
7953 </listitem>
7954
7955 <listitem>
7956 <para>
7957  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
7958 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
7959 </para>
7960 </listitem>
7961
7962 <listitem>
7963 <para>
7964 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
7965 immediately after the name of the rule.  Thus:
7966 <programlisting>
7967   {-# RULES
7968         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
7969     #-}
7970 </programlisting>
7971 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
7972 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
7973 Phase 2.
7974 </para>
7975 </listitem>
7976
7977
7978
7979 <listitem>
7980 <para>
7981  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
7982 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
7983 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
7984 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
7985 </para>
7986 </listitem>
7987 <listitem>
7988
7989 <para>
7990  A pattern variable may optionally have a type signature.
7991 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
7992 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
7993
7994 <programlisting>
7995 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
7996               foldr k z (build g) = g k z
7997 </programlisting>
7998
7999 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
8000
8001 </para>
8002 </listitem>
8003 <listitem>
8004
8005 <para>
8006 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
8007 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
8008
8009 <programlisting>
8010 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
8011 "wrong2"   forall f.      f True = True
8012 </programlisting>
8013
8014 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
8015 in the head.
8016 </para>
8017 </listitem>
8018 <listitem>
8019
8020 <para>
8021  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
8022 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
8023 </para>
8024 </listitem>
8025 <listitem>
8026
8027 <para>
8028  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
8029 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
8030 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
8031 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
8032 declarations.
8033 </para>
8034 </listitem>
8035
8036 <listitem>
8037
8038 <para>
8039 Inside a RULE "<literal>forall</literal>" is treated as a keyword, regardless of
8040 any other flag settings.  Furthermore, inside a RULE, the language extension
8041 <option>-XScopedTypeVariables</option> is automatically enabled; see 
8042 <xref linkend="scoped-type-variables"/>.
8043 </para>
8044 </listitem>
8045 <listitem>
8046
8047 <para>
8048 Like other pragmas, RULE pragmas are always checked for scope errors, and
8049 are typechecked. Typechecking means that the LHS and RHS of a rule are typechecked, 
8050 and must have the same type.  However, rules are only <emphasis>enabled</emphasis>
8051 if the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag is 
8052 on (see <xref linkend="rule-semantics"/>).
8053 </para>
8054 </listitem>
8055 </itemizedlist>
8056
8057 </para>
8058
8059 </sect2>
8060
8061 <sect2 id="rule-semantics">
8062 <title>Semantics</title>
8063
8064 <para>
8065 From a semantic point of view:
8066
8067 <itemizedlist>
8068 <listitem>
8069 <para>
8070 Rules are enabled (that is, used during optimisation)
8071 by the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag.
8072 This flag is implied by <option>-O</option>, and may be switched
8073 off (as usual) by <option>-fno-enable-rewrite-rules</option>.
8074 (NB: enabling <option>-fenable-rewrite-rules</option> without <option>-O</option> 
8075 may not do what you expect, though, because without <option>-O</option> GHC 
8076 ignores all optimisation information in interface files;
8077 see <option>-fignore-interface-pragmas</option>, <xref linkend="options-f"/>.)
8078 Note that <option>-fenable-rewrite-rules</option> is an <emphasis>optimisation</emphasis> flag, and
8079 has no effect on parsing or typechecking.
8080 </para>
8081 </listitem>
8082
8083 <listitem>
8084 <para>
8085  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
8086 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
8087 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
8088 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
8089 expression by substituting for the pattern variables.
8090
8091 </para>
8092 </listitem>
8093 <listitem>
8094
8095 <para>
8096  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
8097 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
8098 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
8099
8100 </para>
8101 </listitem>
8102 <listitem>
8103
8104 <para>
8105  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
8106 terminating.  For example:
8107
8108 <programlisting>
8109   "loop"        forall x y.  f x y = f y x
8110 </programlisting>
8111
8112 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
8113
8114 </para>
8115 </listitem>
8116 <listitem>
8117
8118 <para>
8119  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
8120
8121 </para>
8122 </listitem>
8123 <listitem>
8124 <para>
8125  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
8126 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
8127 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
8128 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
8129 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
8130 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
8131 </para>
8132
8133 <para>
8134 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
8135 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
8136 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
8137 </para>
8138 </listitem>
8139 <listitem>
8140
8141 <para>
8142  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
8143 For example, consider:
8144
8145 <programlisting>
8146   let s = map f
8147       t = map g
8148   in
8149   s (t xs)
8150 </programlisting>
8151
8152 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
8153 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
8154 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
8155 not be substituted, and the rule would not fire.
8156
8157 </para>
8158 </listitem>
8159 <listitem>
8160
8161 <para>
8162 Ordinary inlining happens at the same time as rule rewriting, which may lead to unexpected
8163 results.  Consider this (artificial) example
8164 <programlisting>
8165 f x = x
8166 {-# RULES "f" f True = False #-}
8167
8168 g y = f y
8169
8170 h z = g True
8171 </programlisting>
8172 Since <literal>f</literal>'s right-hand side is small, it is inlined into <literal>g</literal>,
8173 to give
8174 <programlisting>
8175 g y = y
8176 </programlisting>
8177 Now <literal>g</literal> is inlined into <literal>h</literal>, but <literal>f</literal>'s RULE has
8178 no chance to fire.  
8179 If instead GHC had first inlined <literal>g</literal> into <literal>h</literal> then there
8180 would have been a better chance that <literal>f</literal>'s RULE might fire.  
8181 </para>
8182 <para>
8183 The way to get predictable behaviour is to use a NOINLINE 
8184 pragma on <literal>f</literal>, to ensure
8185 that it is not inlined until its RULEs have had a chance to fire.
8186 </para>
8187 </listitem>
8188 </itemizedlist>
8189
8190 </para>
8191
8192 </sect2>
8193
8194 <sect2>
8195 <title>List fusion</title>
8196
8197 <para>
8198 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
8199 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
8200 intermediate list should be eliminated entirely.
8201 </para>
8202
8203 <para>
8204 The following are good producers:
8205
8206 <itemizedlist>
8207 <listitem>
8208
8209 <para>
8210  List comprehensions
8211 </para>
8212 </listitem>
8213 <listitem>
8214
8215 <para>
8216  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
8217 </para>
8218 </listitem>
8219 <listitem>
8220
8221 <para>
8222  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
8223 </para>
8224 </listitem>
8225 <listitem>
8226
8227 <para>
8228  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
8229 </para>
8230 </listitem>
8231 <listitem>
8232
8233 <para>
8234  <function>++</function>
8235 </para>
8236 </listitem>
8237
8238 <listitem>
8239 <para>
8240  <function>map</function>
8241 </para>
8242 </listitem>
8243
8244 <listitem>
8245 <para>
8246 <function>take</function>, <function>filter</function>
8247 </para>
8248 </listitem>
8249 <listitem>
8250
8251 <para>
8252  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
8253 </para>
8254 </listitem>
8255 <listitem>
8256
8257 <para>
8258  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
8259 </para>
8260 </listitem>
8261
8262 </itemizedlist>
8263
8264 </para>
8265
8266 <para>
8267 The following are good consumers:
8268
8269 <itemizedlist>
8270 <listitem>
8271
8272 <para>
8273  List comprehensions
8274 </para>
8275 </listitem>
8276 <listitem>
8277
8278 <para>
8279  <function>array</function> (on its second argument)
8280 </para>
8281 </listitem>
8282 <listitem>
8283
8284 <para>
8285  <function>++</function> (on its first argument)
8286 </para>
8287 </listitem>
8288
8289 <listitem>
8290 <para>
8291  <function>foldr</function>
8292 </para>
8293 </listitem>
8294
8295 <listitem>
8296 <para>
8297  <function>map</function>
8298 </para>
8299 </listitem>
8300 <listitem>
8301
8302 <para>
8303 <function>take</function>, <function>filter</function>
8304 </para>
8305 </listitem>
8306 <listitem>
8307
8308 <para>
8309  <function>concat</function>
8310 </para>
8311 </listitem>
8312 <listitem>
8313
8314 <para>
8315  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
8316 </para>
8317 </listitem>
8318 <listitem>
8319
8320 <para>
8321  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
8322 will fuse with one but not the other)
8323 </para>
8324 </listitem>
8325 <listitem>
8326
8327 <para>
8328  <function>partition</function>
8329 </para>
8330 </listitem>
8331 <listitem>
8332
8333 <para>
8334  <function>head</function>
8335 </para>
8336 </listitem>
8337 <listitem>
8338
8339 <para>
8340  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
8341 </para>
8342 </listitem>
8343 <listitem>
8344
8345 <para>
8346  <function>sequence&lowbar;</function>
8347 </para>
8348 </listitem>
8349 <listitem>
8350
8351 <para>
8352  <function>msum</function>
8353 </para>
8354 </listitem>
8355 <listitem>
8356
8357 <para>
8358  <function>sortBy</function>
8359 </para>
8360 </listitem>
8361
8362 </itemizedlist>
8363
8364 </para>
8365
8366  <para>
8367 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
8368
8369 <programlisting>
8370 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
8371 </programlisting>
8372
8373 </para>
8374
8375 <para>
8376 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
8377 a lot which are not included, please tell us.
8378 </para>
8379
8380 <para>
8381 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
8382 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
8383 </para>
8384
8385 </sect2>
8386
8387 <sect2 id="rule-spec">
8388 <title>Specialisation
8389 </title>
8390
8391 <para>
8392 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
8393 present in earlier versions of GHC.
8394 For example, suppose that:
8395
8396 <programlisting>
8397 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
8398 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
8399 </programlisting>
8400
8401 where <function>intLookup</function> is an implementation of
8402 <function>genericLookup</function> that works very fast for
8403 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
8404 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
8405 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
8406 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
8407 It used to be possible to write
8408
8409 <programlisting>
8410 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
8411 </programlisting>
8412
8413 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
8414
8415 <programlisting>
8416 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
8417 </programlisting>
8418
8419 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
8420 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
8421 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
8422 What is more, this rule does not need to be in the same
8423 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
8424 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
8425 have an original definition available to specialise).
8426 </para>
8427
8428 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
8429 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
8430 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
8431
8432 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
8433 specialisation will Win Big:
8434
8435 <programlisting>
8436 toDouble :: Real a => a -> Double
8437 toDouble = fromRational . toRational
8438
8439 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
8440 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
8441 </programlisting>
8442
8443 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
8444 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
8445 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
8446 comparison.
8447 </para>
8448
8449 </sect2>
8450
8451 <sect2>
8452 <title>Controlling what's going on</title>
8453
8454 <para>
8455
8456 <itemizedlist>
8457 <listitem>
8458
8459 <para>
8460  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
8461 </para>
8462 </listitem>
8463 <listitem>
8464
8465 <para>
8466  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
8467 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
8468 </para>
8469 </listitem>
8470 <listitem>
8471
8472 <para>
8473  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks like this:
8474
8475 <programlisting>
8476         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
8477         {-# INLINE build #-}
8478         build g = g (:) []
8479 </programlisting>
8480
8481 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
8482 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
8483 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
8484 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
8485
8486 </para>
8487 </listitem>
8488 <listitem>
8489
8490 <para>
8491  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
8492 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
8493 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
8494 </para>
8495 </listitem>
8496
8497 </itemizedlist>
8498
8499 </para>
8500
8501 </sect2>
8502
8503 <sect2 id="core-pragma">
8504   <title>CORE pragma</title>
8505
8506   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
8507   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
8508   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
8509
8510 <para>
8511   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
8512   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
8513   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
8514   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
8515   literal as an argument.  The following function definition shows an
8516   example:
8517
8518 <programlisting>
8519 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
8520 </programlisting>
8521
8522   Semantically, this is equivalent to:
8523
8524 <programlisting>
8525 g x = show x
8526 </programlisting>
8527 </para>
8528
8529 <para>
8530   However, when external core is generated (via
8531   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
8532   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
8533   The core function declaration for <function>f</function> is:
8534 </para>
8535
8536 <programlisting>
8537   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
8538                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
8539     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
8540         (%note "foo"
8541          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
8542            {GHCziShow.ZCDShow
8543             (tpl1::GHCziBase.Int ->
8544                    a ->
8545                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8546 r)
8547             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
8548             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
8549                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8550 r) ->
8551               tpl2})
8552         (%note "bar"
8553          eta);
8554 </programlisting>
8555
8556 <para>
8557   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
8558   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
8559   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
8560   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
8561   <varname>x</varname>).
8562 </para>
8563
8564 </sect2>
8565
8566 </sect1>
8567
8568 <sect1 id="special-ids">
8569 <title>Special built-in functions</title>
8570 <para>GHC has a few built-in functions with special behaviour.  These
8571 are now described in the module <ulink
8572 url="../libraries/ghc-prim/GHC-Prim.html"><literal>GHC.Prim</literal></ulink>
8573 in the library documentation.</para>
8574 </sect1>
8575
8576
8577 <sect1 id="generic-classes">
8578 <title>Generic classes</title>
8579
8580 <para>
8581 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
8582 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
8583 An example will give the idea:
8584 </para>
8585
8586 <programlisting>
8587   import Generics
8588
8589   class Bin a where
8590     toBin   :: a -> [Int]
8591     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
8592   
8593     toBin {| Unit |}    Unit      = []
8594     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
8595     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
8596     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
8597   
8598     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
8599     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
8600     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
8601     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
8602                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
8603 </programlisting>
8604 <para>
8605 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
8606 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
8607 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
8608 </para>
8609 <programlisting>
8610   data Unit    = Unit
8611   data a :+: b = Inl a | Inr b
8612   data a :*: b = a :*: b
8613 </programlisting>
8614 <para>
8615 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
8616 <programlisting>
8617   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
8618   instance Bin a => Bin [a]
8619 </programlisting>
8620 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
8621 where clause and over-ride whichever methods you please.
8622 </para>
8623
8624     <sect2>
8625       <title> Using generics </title>
8626       <para>To use generics you need to</para>
8627       <itemizedlist>
8628         <listitem>
8629           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
8630                 <option>-XGenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
8631                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
8632                 available.  </para>
8633         </listitem>
8634         <listitem>
8635           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
8636           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
8637           scope the data types <literal>Unit</literal>,
8638           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
8639           don't need this import if you don't mention these types
8640           explicitly; for example, if you are simply giving instance
8641           declarations.)</para>
8642         </listitem>
8643       </itemizedlist>
8644     </sect2>
8645
8646 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
8647 <para>
8648 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
8649 can be written infix (indeed, you can now use
8650 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
8651 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
8652 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
8653 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
8654 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
8655 anticipate wanting).
8656 </para>
8657 </sect2>
8658
8659 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
8660 <para>
8661 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
8662 is one that is defined using type patterns as above.
8663 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
8664 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
8665 generic default method.
8666 </para>
8667
8668 <para>
8669 Restrictions:
8670 <itemizedlist>
8671 <listitem>
8672 <para>
8673 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
8674 field labels.
8675 </para>
8676 </listitem>
8677
8678 <listitem>
8679 <para>
8680 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
8681 multi-parameter class.
8682 </para>
8683 </listitem>
8684
8685 <listitem>
8686 <para>
8687 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
8688 without.  So this is illegal:
8689 <programlisting>
8690   class Foo a where
8691     op :: a -> (a, Bool)
8692     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
8693     op x               = (x,    False)
8694 </programlisting>
8695 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
8696 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
8697 </para>
8698 </listitem>
8699
8700 <listitem>
8701 <para>
8702 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
8703 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:
8704 <programlisting>
8705   class Foo a where
8706     op :: a -> Bool
8707     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
8708     ...
8709 </programlisting>
8710 </para>
8711 </listitem>
8712
8713 <listitem>
8714 <para>
8715 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
8716 <programlisting>
8717        a :+: b
8718        a :*: b
8719        Unit
8720 </programlisting>
8721 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
8722 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
8723 must use the same type variables.  So this is illegal:
8724 <programlisting>
8725   class Foo a where
8726     op :: a -> Bool
8727     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
8728     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
8729 </programlisting>
8730 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
8731 So this too is illegal:
8732 <programlisting>
8733   class Foo a where
8734     op1 :: a -> Bool
8735     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
8736
8737     op2 :: a -> Bool
8738     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
8739 </programlisting>
8740 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type constructor
8741 into a single generic instance declaration.)
8742 </para>
8743 </listitem>
8744
8745 <listitem>
8746 <para>
8747 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
8748 </para>
8749 </listitem>
8750
8751 <listitem>
8752 <para>
8753 The type for a generic method can be built only from:
8754   <itemizedlist>
8755   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
8756   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
8757   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
8758   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
8759   </itemizedlist>
8760 Here are some example type signatures for generic methods:
8761 <programlisting>
8762     op1 :: a -> Bool
8763     op2 :: Bool -> (a,Bool)
8764     op3 :: [Int] -> a -> a
8765     op4 :: [a] -> Bool
8766 </programlisting>
8767 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
8768 inside a list.  
8769 </para>
8770 <para>
8771 This restriction is an implementation restriction: we just haven't got around to
8772 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
8773 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
8774 to the ones that are allowed.</para>
8775 </listitem>
8776
8777 <listitem>
8778 <para>
8779 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
8780 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
8781 do so if
8782   <itemizedlist>
8783   <listitem>
8784   <para>
8785   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
8786   </para>
8787   </listitem>
8788   <listitem>
8789   <para>
8790   No constructor of the instance type has unboxed fields.
8791   </para>
8792   </listitem>
8793   </itemizedlist>
8794 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
8795 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
8796 provided you give explicit code to override any generic default methods.
8797 </para>
8798 </listitem>
8799
8800 </itemizedlist>
8801 </para>
8802
8803 <para>
8804 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
8805 what the compiler does with generic declarations.
8806 </para>
8807
8808 </sect2>
8809
8810 <sect2> <title> Another example </title>
8811 <para>
8812 Just to finish with, here's another example I rather like:
8813 <programlisting>
8814   class Tag a where
8815     nCons :: a -> Int
8816     nCons {| Unit |}    _ = 1
8817     nCons {| a :*: b |} _ = 1
8818     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
8819   
8820     tag :: a -> Int
8821     tag {| Unit |}    _       = 1
8822     tag {| a :*: b |} _       = 1   
8823     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
8824     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
8825 </programlisting>
8826 </para>
8827 </sect2>
8828 </sect1>
8829
8830 <sect1 id="monomorphism">
8831 <title>Control over monomorphism</title>
8832
8833 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
8834 carried out at let and where bindings.
8835 </para>
8836
8837 <sect2>
8838 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
8839           <indexterm><primary><option>-XNoMonomorphismRestriction</option></primary></indexterm>
8840
8841 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
8842 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
8843 4.5.5</ulink>
8844 of the Haskell Report)
8845 can be completely switched off by
8846 <option>-XNoMonomorphismRestriction</option>.
8847 </para>
8848 </sect2>
8849
8850 <sect2>
8851 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
8852           <indexterm><primary><option>-XNoMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8853           <indexterm><primary><option>-XMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8854
8855           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
8856           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
8857             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
8858             and is not a simple variable.  For example:
8859 <programlisting>
8860   f x = x                    -- Not a pattern binding
8861   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
8862   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
8863
8864   (g,h) = e                  -- A pattern binding
8865   (f) = e                    -- A pattern binding
8866   [x] = e                    -- A pattern binding
8867 </programlisting>
8868 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
8869 default</emphasis>.  Use <option>-XNoMonoPatBinds</option> to recover the
8870 standard behaviour.
8871 </para>
8872 </sect2>
8873 </sect1>
8874
8875
8876
8877 <!-- Emacs stuff:
8878      ;;; Local Variables: ***
8879      ;;; mode: xml ***
8880      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
8881      ;;; ispell-local-dictionary: "british" ***
8882      ;;; End: ***
8883  -->
8884