f8ad5c1b0ac8a79f9ee96c6a4227e6abafcaa6e7
[ghc-hetmet.git] / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>,<option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120         </term>
121         <listitem>
122           <para> These two flags control how generalisation is done.
123             See <xref linkend="monomorphism"/>.
124           </para>
125         </listitem>
126       </varlistentry>
127
128       <varlistentry>
129         <term>
130           <option>-fextended-default-rules</option>:
131           <indexterm><primary><option>-fextended-default-rules</option></primary></indexterm>
132         </term>
133         <listitem>
134           <para> Use GHCi's extended default rules in a regular module (<xref linkend="extended-default-rules"/>).
135           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
136           flag. </para>
137         </listitem>
138       </varlistentry>
139
140       <varlistentry>
141         <term>
142           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
143           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
144         </term>
145         <term>
146           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
147           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
148         </term>
149         <term>
150           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
151           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
152         </term>
153         <term>
154           <option>-fcontext-stack=N</option>
155           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
159           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-finline-phase</option>
166           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
170           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171         </listitem>
172       </varlistentry>
173
174       <varlistentry>
175         <term>
176           <option>-farrows</option>
177           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
178         </term>
179         <listitem>
180           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
181           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
182
183           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
184           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
185           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
186           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
187
188           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
189           <literal>|)</literal>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term>
195           <option>-fgenerics</option>
196           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
197         </term>
198         <listitem>
199           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
200           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
201         </listitem>
202       </varlistentry>
203
204       <varlistentry>
205         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
206         <listitem>
207           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
208           option</primary></indexterm> GHC normally imports
209           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
210           rather it didn't, then give it a
211           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
212           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
213           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
214           namespace is flat, and you must not conflict with any
215           Prelude module.)</para>
216
217           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
218           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
219           Prelude types and values, as specified by the Haskell
220           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
221           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
222           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
223           translation for list comprehensions continues to use
224           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
225
226           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
227           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
228           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
229         </listitem>
230       </varlistentry>
231
232       <varlistentry>
233         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
234         <listitem>
235           <para>Enables implicit parameters (see <xref
236           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
237           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
238
239           <para>Syntax stolen:
240           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
241           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
242         </listitem>
243       </varlistentry>
244
245       <varlistentry>
246         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
247         <listitem>
248           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
249           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
250           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
251         </listitem>
252       </varlistentry>
253
254       <varlistentry>
255         <term><option>-fth</option></term>
256         <listitem>
257           <para>Enables Template Haskell (see <xref
258           linkend="template-haskell"/>).  This flag must
259           be given explicitly; it is no longer implied by
260           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
261
262           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
263           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
264           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
265           <literal>$(</literal>,
266           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
267         </listitem>
268       </varlistentry>
269
270     </variablelist>
271   </sect1>
272
273 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
274 <!--    included from primitives.sgml  -->
275 <!-- &primitives; -->
276 <sect1 id="primitives">
277   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
278
279 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
280 While you really can use this stuff to write fast code,
281   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
282   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
283   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
284   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
285   about it.</para>
286
287 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
288 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
289 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
290 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
291
292 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
293 work over those types, is held in the file
294 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
295 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
296 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
297
298 <para> Indeed,
299 the result of such processing is part of the description of the 
300  <ulink
301       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
302          Core language</ulink>.
303 So that document is a good place to look for a type-set version.
304 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
305 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
306 we could include the results here in the User Guide.</para>
307
308 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
309   
310 <sect2 id="glasgow-unboxed">
311 <title>Unboxed types
312 </title>
313
314 <para>
315 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
316 </para>
317
318 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
319 that values of that type are represented by a pointer to a heap
320 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
321 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
322 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
323 allocation are involved.
324 </para>
325
326 <para>
327 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
328 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
329 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
330 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
331 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
332 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
333 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
334 know and love&mdash;usually one instruction.
335 </para>
336
337 <para>
338 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
339 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
340 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
341 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
342 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
343 </para>
344
345 <para>
346 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
347 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
348 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
349 a primitive value might be represented by a pointer to a
350 heap-allocated object.  Examples include
351 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
352 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
353 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
354 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
355 represents a primitive value, then it really does point to that value:
356 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
357 other end of the pointer than the primitive value.
358 A numerically-intensive program using unboxed types can
359 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
360 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
361 </para>
362
363 <para>
364 There are some restrictions on the use of primitive types:
365 <itemizedlist>
366 <listitem><para>The main restriction
367 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
368 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
369 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
370 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
371 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
372 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
373 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
374 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
375 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
376 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
377 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
378 </para>
379 </listitem>
380 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
381 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
382 </para></listitem>
383 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
384 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
385 </para></listitem>
386 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
387 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
388 pattern-match
389 to become strict.  For example:
390 <programlisting>
391   data Foo = Foo Int Int#
392
393   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
394 </programlisting>
395 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
396 match
397 is strict, and the program behaves as if you had written
398 <programlisting>
399   data Foo = Foo Int Int#
400
401   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
402 </programlisting>
403 </para>
404 </listitem>
405 </itemizedlist>
406 </para>
407
408 </sect2>
409
410 <sect2 id="unboxed-tuples">
411 <title>Unboxed Tuples
412 </title>
413
414 <para>
415 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
416 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
417 unboxed tuple looks like this:
418 </para>
419
420 <para>
421
422 <programlisting>
423 (# e_1, ..., e_n #)
424 </programlisting>
425
426 </para>
427
428 <para>
429 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
430 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
431 the same.
432 </para>
433
434 <para>
435 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
436 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
437 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
438 components are put directly into registers or on the stack; the
439 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
440 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
441 tuples.
442 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
443 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
444 </para>
445
446 <para>
447 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
448 <itemizedlist>
449 <listitem>
450
451 <para>
452 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
453 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
454 structures or passed to polymorphic functions.
455
456 </para>
457 </listitem>
458 <listitem>
459
460 <para>
461 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
462 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
463
464
465 <programlisting>
466   data Foo = Foo (# Int, Int #)
467
468   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
469   f x = x
470
471   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
472   g (# a,b #) = a
473
474   h x = let y = (# x,x #) in ...
475 </programlisting>
476 </para>
477 </listitem>
478 </itemizedlist>
479 </para>
480 <para>
481 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
482 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
483 <programlisting>
484   f x y = (# x+1, y-1 #)
485   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
486 </programlisting>
487 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
488 <programlisting>
489   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
490 </programlisting>
491 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
492 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
493 above example desugars like this:
494 <programlisting>
495   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
496             p = fst t
497             q = snd t
498         in ..body..
499 </programlisting>
500 Indeed, the bindings can even be recursive.
501 </para>
502
503 </sect2>
504 </sect1>
505
506
507 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
508
509 <sect1 id="syntax-extns">
510 <title>Syntactic extensions</title>
511  
512     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
513
514     <sect2 id="hierarchical-modules">
515       <title>Hierarchical Modules</title>
516
517       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
518       names: a module name is allowed to contain a dot
519       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
520       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
521       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
522       more flexible hierarchy of modules.</para>
523
524       <para>This extension has very little impact on the language
525       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
526       qualified, so you can just think of the fully qualified module
527       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
528       means that the full module name must be given after the
529       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
530       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
531       begin</para>
532
533 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
534
535
536       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
537       keyword to save some typing when using qualified names with
538       hierarchical modules.  For example:</para>
539
540 <programlisting>
541 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
542 </programlisting>
543
544       <para>For details on how GHC searches for source and interface
545       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
546       linkend="search-path"/>.</para>
547
548       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
549       hierarchically; see the accompanying library documentation.
550       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
551       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
552       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
553       current status of that project.  For more details, see <ulink
554       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
555       Libraries</ulink>.</para>
556
557     </sect2>
558
559     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
560
561 <sect2 id="pattern-guards">
562 <title>Pattern guards</title>
563
564 <para>
565 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
566 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.)
567 </para>
568
569 <para>
570 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
571 lookup operation:
572
573 <programlisting>
574 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
575 </programlisting>
576
577 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
578 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
579 </para>
580
581 <programlisting>
582 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
583 | otherwise  = var1 + var2
584 where
585   m1 = lookup env var1
586   m2 = lookup env var2
587   ok1 = maybeToBool m1
588   ok2 = maybeToBool m2
589   val1 = expectJust m1
590   val2 = expectJust m2
591 </programlisting>
592
593 <para>
594 The auxiliary functions are 
595 </para>
596
597 <programlisting>
598 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
599 maybeToBool (Just x) = True
600 maybeToBool Nothing  = False
601
602 expectJust :: Maybe a -&gt; a
603 expectJust (Just x) = x
604 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
605 </programlisting>
606
607 <para>
608 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
609 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
610 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
611 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
612 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
613 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
614 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
615 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
616 </para>
617
618 <para>
619 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
620 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
621 to write clunky would be to use case expressions:
622 </para>
623
624 <programlisting>
625 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
626   Nothing -&gt; fail
627   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
628     Nothing -&gt; fail
629     Just val2 -&gt; val1 + val2
630 where
631   fail = var1 + var2
632 </programlisting>
633
634 <para>
635 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
636 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
637 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
638 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
639 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
640 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
641 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
642 tends to become more and more indented. 
643 </para>
644
645 <para>
646 Here is how I would write clunky:
647 </para>
648
649 <programlisting>
650 clunky env var1 var1
651   | Just val1 &lt;- lookup env var1
652   , Just val2 &lt;- lookup env var2
653   = val1 + val2
654 ...other equations for clunky...
655 </programlisting>
656
657 <para>
658 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
659 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
660 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
661 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
662 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
663 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
664 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
665 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
666 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
667 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
668 </para>
669
670 <para>
671 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
672 with among the pattern guards.  For example:
673 </para>
674
675 <programlisting>
676 f x | [y] &lt;- x
677     , y > 3
678     , Just z &lt;- h y
679     = ...
680 </programlisting>
681
682 <para>
683 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
684 qualifier list has just one element, a boolean expression.
685 </para>
686 </sect2>
687
688     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
689
690 <sect2 id="mdo-notation">
691 <title>The recursive do-notation
692 </title>
693
694 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
695 "A recursive do for Haskell",
696 Levent Erkok, John Launchbury",
697 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
698 </para>
699 <para>
700 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
701 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
702 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
703 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
704 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
705 </para>
706 <para>
707 Here is a simple (yet contrived) example:
708 </para>
709 <programlisting>
710 import Control.Monad.Fix
711
712 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
713                return xs
714 </programlisting>
715 <para>
716 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
717 </para>
718
719 <para>
720 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
721 </para>
722 <programlisting>
723 class Monad m => MonadFix m where
724    mfix :: (a -> m a) -> m a
725 </programlisting>
726 <para>
727 The function <literal>mfix</literal>
728 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
729 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
730 For details, see the above mentioned reference.
731 </para>
732 <para>
733 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
734 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
735 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
736 </para>
737 <para>
738 There are three important points in using the recursive-do notation:
739 <itemizedlist>
740 <listitem><para>
741 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
742 than <literal>do</literal>).
743 </para></listitem>
744
745 <listitem><para>
746 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
747 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
748 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
749 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
750 </para></listitem>
751
752 <listitem><para>
753 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
754 </para></listitem>
755 </itemizedlist>
756 </para>
757
758 <para>
759 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
760 contains up to date information on recursive monadic bindings.
761 </para>
762
763 <para>
764 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
765 of the existing documents) used the name
766 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
767 This name is not supported by GHC.
768 </para>
769
770 </sect2>
771
772
773    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
774
775   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
776     <title>Parallel List Comprehensions</title>
777     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
778     </indexterm>
779     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
780     </indexterm>
781
782     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
783     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
784     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
785     extend this to include the zipWith family.</para>
786
787     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
788     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
789     example, the following zips together two lists:</para>
790
791 <programlisting>
792    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
793 </programlisting>
794
795     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
796     zip, in that the resulting list will have the same length as the
797     shortest branch.</para>
798
799     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
800     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
801
802     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
803
804 <programlisting>
805    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
806        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
807        ... 
808    ] 
809 </programlisting>
810
811     <para>This will be translated to: </para>
812
813 <programlisting>
814    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
815                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
816                                          ... 
817    ] 
818 </programlisting>
819
820     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
821     branches.</para>
822
823   </sect2>
824
825 <sect2 id="rebindable-syntax">
826 <title>Rebindable syntax</title>
827
828
829       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
830       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
831       with a home-grown version, for example.</para>
832
833             <para>You may want to define your own numeric class
834             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
835             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
836             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
837             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
838             the following pieces of built-in syntax to refer to
839             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
840             versions:
841
842             <itemizedlist>
843               <listitem>
844                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
845                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
846                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
847 </para> </listitem>         
848
849       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
850           except that the translation is 
851               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
852 </para> </listitem>         
853
854           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
855               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
856 </para> </listitem>         
857
858           <listitem><para>The subtraction operation, and the
859           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
860               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
861               </para></listitem>
862
863               <listitem>
864                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
865                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
866                 patterns, and expressions.
867               </para></listitem>
868
869               <listitem>
870           <para>"Do" notation is translated using whatever
871               functions <literal>(>>=)</literal>,
872               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
873               are in scope (not the Prelude
874               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
875               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
876
877               <listitem>
878                 <para>Arrow
879                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
880                 uses whatever <literal>arr</literal>,
881                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
882                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
883                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
884                 other constructs, the types of these functions must match the
885                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
886                 to use this, ask!
887               </para></listitem>
888             </itemizedlist>
889 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
890 even if that is a little unexpected. For emample, the 
891 static semantics of the literal <literal>368</literal>
892 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
893 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
894 <programlisting>
895 fromInteger :: Integer -> Integer
896 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
897 fromInteger :: Num a => a -> Integer
898 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
899 </programlisting>
900 </para>
901                 
902              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
903              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
904              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
905              you should be all right.</para>
906
907 </sect2>
908
909 <sect2 id="postfix-operators">
910 <title>Postfix operators</title>
911
912 <para>
913 GHC allows a small extension to the syntax of left operator sections, which
914 allows you to define postfix operators.  The extension is this:  the left section
915 <programlisting>
916   (e !)
917 </programlisting> 
918 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
919 <programlisting>
920   ((!) e)
921 </programlisting> 
922 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
923 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
924 <programlisting>
925   (\y -> (!) e y)
926 </programlisting> 
927 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
928 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
929 postfix.
930 </para>
931 <para>Since this extension goes beyond Haskell 98, it should really be enabled
932 by a flag; but in fact it is enabled all the time.  (No Haskell 98 programs
933 change their behaviour, of course.)
934 </para>
935 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
936 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
937
938 </sect2>
939
940 </sect1>
941
942
943 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
944 <sect1 id="type-extensions">
945 <title>Type system extensions</title>
946
947
948 <sect2>
949 <title>Data types and type synonyms</title>
950
951 <sect3 id="nullary-types">
952 <title>Data types with no constructors</title>
953
954 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
955 a data type with no constructors.  For example:</para>
956
957 <programlisting>
958   data S      -- S :: *
959   data T a    -- T :: * -> *
960 </programlisting>
961
962 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
963 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
964 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
965 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
966
967 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
968 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
969 </sect3>
970
971 <sect3 id="infix-tycons">
972 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
973
974 <para>
975 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
976 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
977 <itemizedlist>
978 <listitem><para>
979   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
980   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
981   </para></listitem>
982 <listitem><para>
983   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
984   if you want further arguments.  E.g.
985 <screen>
986   data a :*: b = Foo a b
987   type a :+: b = Either a b
988   class a :=: b where ...
989
990   data (a :**: b) x = Baz a b x
991   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
992 </screen>
993   </para></listitem>
994 <listitem><para>
995   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
996   <screen>
997         x :: Int :*: Bool
998         f :: (a :=: b) => a -> b
999   </screen>
1000   </para></listitem>
1001 <listitem><para>
1002   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1003   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1004   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1005   parenthesised.  For example:
1006 <programlisting>
1007    type T (+) = Int + Int
1008    f :: T Either
1009    f = Left 3
1010  
1011    liftA2 :: Arrow (~>)
1012           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1013    liftA2 = ...
1014 </programlisting>
1015   </para></listitem>
1016 <listitem><para>
1017   Back-quotes work
1018   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1019   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1020   </para></listitem>
1021 <listitem><para>
1022   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1023   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1024   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1025 <screen>
1026   infixl 7 T, :*:
1027 </screen>
1028   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1029   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1030   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1031   </para></listitem>
1032 <listitem><para>
1033   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1034   </para></listitem>
1035
1036 </itemizedlist>
1037 </para>
1038 </sect3>
1039
1040 <sect3 id="type-synonyms">
1041 <title>Liberalised type synonyms</title>
1042
1043 <para>
1044 Type synonyms are like macros at the type level, and
1045 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1046 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1047 <itemizedlist>
1048 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1049 in a type synonym, thus:
1050 <programlisting>
1051   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1052
1053   f :: Discard a
1054   f x y = (x, show y)
1055
1056   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1057   g f = f 3 True
1058 </programlisting>
1059 </para>
1060 </listitem>
1061
1062 <listitem><para>
1063 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1064 <programlisting>
1065   type Pr = (# Int, Int #)
1066
1067   h :: Int -> Pr
1068   h x = (# x, x #)
1069 </programlisting>
1070 </para></listitem>
1071
1072 <listitem><para>
1073 You can apply a type synonym to a forall type:
1074 <programlisting>
1075   type Foo a = a -> a -> Bool
1076  
1077   f :: Foo (forall b. b->b)
1078 </programlisting>
1079 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1080 <programlisting>
1081   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1082 </programlisting>
1083 </para></listitem>
1084
1085 <listitem><para>
1086 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1087 <programlisting>
1088   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1089   type Id x = x
1090   
1091   foo :: Generic Id []
1092 </programlisting>
1093 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1094 <programlisting>
1095   foo :: forall x. x -> [x]
1096 </programlisting>
1097 </para></listitem>
1098
1099 </itemizedlist>
1100 </para>
1101
1102 <para>
1103 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1104 could be changed.)
1105 </para>
1106 <para>
1107 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1108 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1109 <itemizedlist>
1110 <listitem><para>
1111 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1112 </para></listitem>
1113 <listitem><para>
1114 Unboxed tuple on left of an arrow.
1115 </para></listitem>
1116 <listitem><para>
1117 Partially-applied type synonym.
1118 </para></listitem>
1119 </itemizedlist>
1120 So, for example,
1121 this will be rejected:
1122 <programlisting>
1123   type Pr = (# Int, Int #)
1124
1125   h :: Pr -> Int
1126   h x = ...
1127 </programlisting>
1128 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1129 </para>
1130 </sect3>
1131
1132
1133 <sect3 id="existential-quantification">
1134 <title>Existentially quantified data constructors
1135 </title>
1136
1137 <para>
1138 The idea of using existential quantification in data type declarations
1139 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1140 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1141 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1142 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1143 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1144 It's been in Lennart
1145 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1146 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1147 </para>
1148
1149 <para>
1150
1151 <programlisting>
1152   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1153            | Nil
1154 </programlisting>
1155
1156 </para>
1157
1158 <para>
1159 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1160 </para>
1161
1162 <para>
1163
1164 <programlisting>
1165   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1166   Nil   :: Foo
1167 </programlisting>
1168
1169 </para>
1170
1171 <para>
1172 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1173 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1174 For example, the following expression is fine:
1175 </para>
1176
1177 <para>
1178
1179 <programlisting>
1180   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1181 </programlisting>
1182
1183 </para>
1184
1185 <para>
1186 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1187 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1188 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1189 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1190 </para>
1191
1192 <para>
1193 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1194 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1195 </para>
1196
1197 <para>
1198
1199 <programlisting>
1200   f (MkFoo val fn) = ???
1201 </programlisting>
1202
1203 </para>
1204
1205 <para>
1206 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1207 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1208 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1209 </para>
1210
1211 <para>
1212
1213 <programlisting>
1214   f :: Foo -> Bool
1215   f (MkFoo val fn) = fn val
1216 </programlisting>
1217
1218 </para>
1219
1220 <para>
1221 What this allows us to do is to package heterogenous values
1222 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1223 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1224 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1225 </para>
1226
1227 <sect4 id="existential">
1228 <title>Why existential?
1229 </title>
1230
1231 <para>
1232 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1233 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1234 </para>
1235
1236 <para>
1237
1238 <programlisting>
1239   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1240 </programlisting>
1241
1242 </para>
1243
1244 <para>
1245 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1246 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1247 adding a new existential quantification construct.
1248 </para>
1249
1250 </sect4>
1251
1252 <sect4>
1253 <title>Type classes</title>
1254
1255 <para>
1256 An easy extension is to allow
1257 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1258 </para>
1259
1260 <para>
1261
1262 <programlisting>
1263 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1264          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1265 </programlisting>
1266
1267 </para>
1268
1269 <para>
1270 The two constructors have the types you'd expect:
1271 </para>
1272
1273 <para>
1274
1275 <programlisting>
1276 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1277 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1278 </programlisting>
1279
1280 </para>
1281
1282 <para>
1283 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1284 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1285 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1286 So this program is legal:
1287 </para>
1288
1289 <para>
1290
1291 <programlisting>
1292   f :: Baz -> String
1293   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1294                | otherwise = "No"
1295   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1296 </programlisting>
1297
1298 </para>
1299
1300 <para>
1301 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1302 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1303 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1304 extract it on pattern matching.
1305 </para>
1306
1307 <para>
1308 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1309 universal quantification earlier.
1310 </para>
1311
1312 </sect4>
1313
1314 <sect4>
1315 <title>Record Constructors</title>
1316
1317 <para>
1318 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1319
1320 <programlisting>
1321 data Counter a = forall self. NewCounter
1322     { _this    :: self
1323     , _inc     :: self -> self
1324     , _display :: self -> IO ()
1325     , tag      :: a
1326     }
1327 </programlisting>
1328 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1329 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1330 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1331 <literal>_inc</literal> or <literal>_output</literal> as functions will raise a
1332 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1333 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1334 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1335 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1336 </para>
1337
1338 <para>
1339 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1340
1341 <programlisting>
1342 inc :: Counter a -> Counter a
1343 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1344     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1345
1346 display :: Counter a -> IO ()
1347 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1348 </programlisting>
1349
1350 Now we can define counters with different underlying implementations:
1351
1352 <programlisting>
1353 counterA :: Counter String 
1354 counterA = NewCounter
1355     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1356
1357 counterB :: Counter String 
1358 counterB = NewCounter
1359     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1360
1361 main = do
1362     display (inc counterA)         -- prints "1"
1363     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1364 </programlisting>
1365
1366 In GADT declarations (see <xref linkend="gadt"/>), the explicit
1367 <literal>forall</literal> may be omitted.  For example, we can express
1368 the same <literal>Counter a</literal> using GADT:
1369
1370 <programlisting>
1371 data Counter a where
1372     NewCounter { _this    :: self
1373                , _inc     :: self -> self
1374                , _display :: self -> IO ()
1375                , tag      :: a
1376                }
1377         :: Counter a
1378 </programlisting>
1379
1380 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1381 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1382
1383 <programlisting>
1384 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1385 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1386 setTag obj t = obj{ tag = t }
1387 </programlisting>
1388
1389 </para>
1390
1391 </sect4>
1392
1393
1394 <sect4>
1395 <title>Restrictions</title>
1396
1397 <para>
1398 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1399 constructors can be use.
1400 </para>
1401
1402 <para>
1403
1404 <itemizedlist>
1405 <listitem>
1406
1407 <para>
1408  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1409 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1410 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1411 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1412
1413
1414 <programlisting>
1415 f1 (MkFoo a f) = a
1416 </programlisting>
1417
1418
1419 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1420 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1421 ask what type <function>f1</function> has:
1422
1423
1424 <programlisting>
1425   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1426 </programlisting>
1427
1428
1429 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1430 this:
1431
1432
1433 <programlisting>
1434   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1435 </programlisting>
1436
1437
1438 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1439
1440
1441 <programlisting>
1442   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1443 </programlisting>
1444
1445
1446 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1447 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1448 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1449
1450
1451 </para>
1452 </listitem>
1453 <listitem>
1454
1455 <para>
1456 You can't pattern-match on an existentially quantified
1457 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1458 bindings. So this is illegal:
1459
1460
1461 <programlisting>
1462   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1463 </programlisting>
1464
1465 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1466
1467 <programlisting>
1468   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1469 </programlisting>
1470
1471 In general, you can only pattern-match
1472 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1473 in the patterns of a function definition.
1474
1475 The reason for this restriction is really an implementation one.
1476 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1477 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1478 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1479 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1480 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1481 annoying it is.
1482
1483 </para>
1484 </listitem>
1485 <listitem>
1486
1487 <para>
1488 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1489 declarations.  So this is illegal:
1490
1491
1492 <programlisting>
1493   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1494 </programlisting>
1495
1496
1497 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1498 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1499 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1500 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1501 You can get just the same efficiency and effect by using
1502 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1503 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1504 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1505 because the <literal>data</literal> version does carry an
1506 implementation cost, but single-field existentially quantified
1507 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1508 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1509 are convincing reasons to change it.
1510
1511
1512 </para>
1513 </listitem>
1514 <listitem>
1515
1516 <para>
1517  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1518 data type with existentially quantified data constructors.
1519
1520 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1521
1522 <programlisting>
1523 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1524 </programlisting>
1525
1526 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1527 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1528
1529 <programlisting>
1530 instance Eq T where
1531   (MkT a) == (MkT b) = ???
1532 </programlisting>
1533
1534 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1535 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1536 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1537 declarations.  Define your own instances!
1538 </para>
1539 </listitem>
1540
1541 </itemizedlist>
1542
1543 </para>
1544
1545 </sect4>
1546 </sect3>
1547
1548 </sect2>
1549
1550
1551
1552 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1553 <title>Class declarations</title>
1554
1555 <para>
1556 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
1557 There's lots of background in the paper <ulink
1558 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1559 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1560 Jones, Erik Meijer).
1561 </para>
1562 <para>
1563 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
1564 </para>
1565
1566 <sect3>
1567 <title>Multi-parameter type classes</title>
1568 <para>
1569 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
1570
1571
1572 <programlisting>
1573   class Collection c a where
1574     union :: c a -> c a -> c a
1575     ...etc.
1576 </programlisting>
1577
1578 </para>
1579 </sect3>
1580
1581 <sect3>
1582 <title>The superclasses of a class declaration</title>
1583
1584 <para>
1585 There are no restrictions on the context in a class declaration
1586 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1587 be acyclic.  So these class declarations are OK:
1588
1589
1590 <programlisting>
1591   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1592     ...
1593
1594   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1595     lift :: m a -> (t m) a
1596 </programlisting>
1597
1598
1599 </para>
1600 <para>
1601 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
1602 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1603 this is OK:
1604
1605
1606 <programlisting>
1607   class C a where {
1608     op :: D b => a -> b -> b
1609   }
1610
1611   class C a => D a where { ... }
1612 </programlisting>
1613
1614
1615 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1616 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1617 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1618 </para>
1619 </sect3>
1620
1621
1622
1623
1624 <sect3 id="class-method-types">
1625 <title>Class method types</title>
1626
1627 <para>
1628 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1629 class type variable, thus:
1630 <programlisting>
1631   class Seq s a where
1632     fromList :: [a] -> s a
1633     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1634 </programlisting>
1635 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1636 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1637 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1638 GHC lifts this restriction.
1639 </para>
1640
1641
1642 </sect3>
1643 </sect2>
1644
1645 <sect2 id="functional-dependencies">
1646 <title>Functional dependencies
1647 </title>
1648
1649 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1650 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1651 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1652 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1653 .
1654 </para>
1655 <para>
1656 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1657 class declaration;  e.g. 
1658 <programlisting>
1659   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1660
1661   class Foo a b c | a b -> c where ...
1662 </programlisting>
1663 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1664 </para>
1665
1666 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
1667 <para>
1668 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
1669 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1670 from the free variables of each method type.
1671 For example:
1672
1673 <programlisting>
1674   class Coll s a where
1675     empty  :: s
1676     insert :: s -> a -> s
1677 </programlisting>
1678
1679 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1680 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
1681 reachable:
1682 <programlisting>
1683   class Coll s a | s -> a where
1684     empty  :: s
1685     insert :: s -> a -> s
1686 </programlisting>
1687
1688 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
1689
1690 <programlisting>
1691   class Coll s a where
1692     empty  :: s a
1693     insert :: s a -> a -> s a
1694 </programlisting>
1695
1696
1697 which makes the connection between the type of a collection of
1698 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1699 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1700 class like this:
1701
1702
1703 <programlisting>
1704   class CollE s where
1705     empty  :: s
1706
1707   class CollE s => Coll s a where
1708     insert :: s -> a -> s
1709 </programlisting>
1710 </para>
1711 </sect3>
1712
1713
1714 <sect3>
1715 <title>Background on functional dependencies</title>
1716
1717 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
1718 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
1719 permission of Mark Jones.
1720 </para>
1721 <para> 
1722 Consider the following class, intended as part of a
1723 library for collection types:
1724 <programlisting>
1725    class Collects e ce where
1726        empty  :: ce
1727        insert :: e -> ce -> ce
1728        member :: e -> ce -> Bool
1729 </programlisting>
1730 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
1731 of the container itself. Within this framework, we might want to define
1732 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
1733 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
1734 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
1735 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
1736 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
1737 <programlisting>
1738    instance Eq e => Collects e [e] where ...
1739    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
1740    instance Collects Char BitSet where ...
1741    instance (Hashable e, Collects a ce)
1742               => Collects e (Array Int ce) where ...
1743 </programlisting>
1744 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
1745 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
1746 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
1747 <programlisting>
1748    empty :: Collects e ce => ce
1749 </programlisting>
1750 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
1751 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
1752 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
1753 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
1754 type.
1755 </para>
1756 <para>
1757 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
1758 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
1759 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
1760 them. For example, consider the following two functions: 
1761 <programlisting>
1762    f x y = insert x . insert y
1763    g     = f True 'a'
1764 </programlisting>
1765 for which GHC infers the following types: 
1766 <programlisting>
1767    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1768    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
1769 </programlisting>
1770 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
1771 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
1772 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
1773 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
1774 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
1775 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
1776 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
1777 might even be in a different module.
1778 </para>
1779
1780 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
1781
1782 <para>
1783 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
1784 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
1785 <programlisting>
1786    class Collects e c where
1787       empty  :: c e
1788       insert :: e -> c e -> c e
1789       member :: e -> c e -> Bool
1790 </programlisting>
1791 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
1792 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
1793 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
1794 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
1795 e</literal>, which is not ambiguous. 
1796 </para>
1797 <para>
1798 The function f from the previous section has a more accurate type: 
1799 <programlisting>
1800    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
1801 </programlisting>
1802 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
1803 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
1804 different types. 
1805 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
1806 quite well in practice, without ambiguity problems.
1807 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
1808 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
1809 for <literal>Collects</literal>
1810 given above can be used with this version of Collects because only one of
1811 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
1812 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
1813 </para>
1814 </sect4>
1815
1816 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
1817
1818 <para>
1819 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
1820 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
1821 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
1822 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
1823 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
1824 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
1825 later framework for "improvement" of qualified types. The
1826 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
1827 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
1828 general design space for systems of implicit parameterization.).
1829
1830 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
1831 <programlisting>
1832    class C a b where ...
1833 </programlisting>
1834 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
1835 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
1836 included in the definition of classes to add information about dependencies
1837 between parameters, as in the following examples: 
1838 <programlisting>
1839    class D a b | a -> b where ...
1840    class E a b | a -> b, b -> a where ...
1841 </programlisting>
1842 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
1843 symbols --- not to be
1844 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
1845 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
1846 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
1847 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
1848 represents a (partial) one-one mapping between types.
1849 </para>
1850 <para>
1851 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
1852 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
1853 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
1854 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
1855 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
1856 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
1857 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
1858 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
1859 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
1860 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
1861 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
1862 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
1863 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
1864 <literal>a-&gt;b</literal>, 
1865  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
1866 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
1867 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
1868 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
1869 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
1870 unchanged.
1871 </para>
1872 <para>
1873 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
1874 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
1875 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
1876 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
1877 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
1878 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
1879 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
1880 <programlisting>
1881    instance D Bool Int where ...
1882    instance D Bool Char where ...
1883 </programlisting>
1884 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
1885 <programlisting>
1886    instance D [a] b where ...
1887 </programlisting>
1888 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
1889 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
1890 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
1891 in any instance of the form: 
1892 <programlisting>
1893    instance D t s where ...
1894 </programlisting>
1895 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
1896 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
1897 uniquely determined.
1898 </para>
1899 <para>
1900 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
1901 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
1902 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
1903 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
1904 with a simple dependency: 
1905 <programlisting>
1906    class Collects e ce | ce -> e where
1907       empty  :: ce
1908       insert :: e -> ce -> ce
1909       member :: e -> ce -> Bool
1910 </programlisting>
1911 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
1912 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
1913 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
1914 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
1915 together with this new definition.
1916 </para>
1917 <para>
1918 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
1919 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
1920 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
1921 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
1922 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
1923 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
1924 give enough information to determine types for both ce and e, without
1925 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
1926 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
1927 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
1928 </para>
1929 <para>
1930 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
1931 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
1932 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
1933 function f: 
1934 <programlisting>
1935    f x y = insert x y = insert x . insert y
1936 </programlisting>
1937 for which we originally obtained a type: 
1938 <programlisting>
1939    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1940 </programlisting>
1941 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
1942 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
1943 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
1944 can infer a shorter and more accurate type for f: 
1945 <programlisting>
1946    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
1947 </programlisting>
1948 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
1949 </para>
1950 <para>
1951 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
1952 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
1953 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
1954 sets of instance declarations.
1955 </para>
1956 </sect4>
1957 </sect3>
1958 </sect2>
1959
1960 <sect2 id="instance-decls">
1961 <title>Instance declarations</title>
1962
1963 <sect3 id="instance-rules">
1964 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
1965
1966 <para>An instance declaration has the form
1967 <screen>
1968   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 ...
1969 </screen>
1970 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
1971 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
1972 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
1973 </para>
1974
1975 <para>
1976 In Haskell 98 the head of an instance declaration
1977 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
1978 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
1979 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
1980 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration
1981 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
1982 is a type variable that occurs in the head.
1983 </para>
1984 <para>
1985 The <option>-fglasgow-exts</option> flag loosens these restrictions
1986 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
1987 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
1988 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
1989 following rules:
1990 <orderedlist>
1991 <listitem><para>
1992 For each assertion in the context:
1993 <orderedlist>
1994 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
1995 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
1996       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
1997 </orderedlist>
1998 </para></listitem>
1999
2000 <listitem><para>The coverage condition.  For each functional dependency,
2001 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
2002 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
2003 every type variable in
2004 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
2005 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
2006 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
2007 corresponding type in the instance declaration.
2008 </para></listitem>
2009 </orderedlist>
2010 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
2011 step makes the problem smaller by at least one
2012 constructor.  For example, the following would make the type checker
2013 loop if it wasn't excluded:
2014 <programlisting>
2015   instance C a => C a where ...
2016 </programlisting>
2017 For example, these are OK:
2018 <programlisting>
2019   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
2020   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
2021
2022       -- Repeated type variable in head
2023   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
2024   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
2025
2026       -- Head can consist of type variables only
2027   instance C a
2028   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
2029
2030       -- Non-type variables in context
2031   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
2032   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
2033   instance C2 Int a => C3 [a] b
2034 </programlisting>
2035 But these are not:
2036 <programlisting>
2037       -- Context assertion no smaller than head
2038   instance C a => C a where ...
2039       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
2040   instance C b b => Foo [b] where ...
2041 </programlisting>
2042 </para>
2043
2044 <para>
2045 The same restrictions apply to instances generated by
2046 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
2047 <programlisting>
2048   data MinHeap h a = H a (h a)
2049     deriving (Show)
2050 </programlisting>
2051 because the derived instance
2052 <programlisting>
2053   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
2054 </programlisting>
2055 conforms to the above rules.
2056 </para>
2057
2058 <para>
2059 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
2060 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
2061 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
2062 something more specific does not:
2063 <programlisting>
2064   instance C a where
2065     op = ... -- Default
2066 </programlisting>
2067 </para>
2068 <para>You can find lots of background material about the reason for these
2069 restrictions in the paper <ulink
2070 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
2071 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
2072 </para>
2073 </sect3>
2074
2075 <sect3 id="undecidable-instances">
2076 <title>Undecidable instances</title>
2077
2078 <para>
2079 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
2080 For example, sometimes you might want to use the following to get the
2081 effect of a "class synonym":
2082 <programlisting>
2083   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2084
2085   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2086 </programlisting>
2087 This allows you to write shorter signatures:
2088 <programlisting>
2089   f :: C a => ...
2090 </programlisting>
2091 instead of
2092 <programlisting>
2093   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
2094 </programlisting>
2095 The restrictions on functional dependencies (<xref
2096 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
2097 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
2098 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
2099 <programlisting>
2100   class HasConverter a b | a -> b where
2101      convert :: a -> b
2102    
2103   data Foo a = MkFoo a
2104
2105   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
2106      show (MkFoo value) = show (convert value)
2107 </programlisting>
2108 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
2109 typechecker loop:
2110 <programlisting>
2111   class D a
2112   class F a b | a->b
2113   instance F [a] [[a]]
2114   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
2115 </programlisting>  
2116 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
2117 <programlisting>
2118   class Mul a b c | a b -> c where
2119         (.*.) :: a -> b -> c
2120
2121   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
2122   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
2123   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
2124 </programlisting>
2125 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
2126 and indeed the (somewhat strange) definition:
2127 <programlisting>
2128   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
2129 </programlisting>
2130 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
2131 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
2132 </para>
2133 <para>
2134 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
2135 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
2136 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
2137 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
2138 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
2139 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
2140 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
2141 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
2142 </para>
2143
2144 </sect3>
2145
2146
2147 <sect3 id="instance-overlap">
2148 <title>Overlapping instances</title>
2149 <para>
2150 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
2151 declaration
2152 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
2153 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
2154 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
2155 </primary></indexterm> 
2156 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
2157 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
2158 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
2159 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
2160 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
2161 <para>
2162 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
2163 it tries to match every instance declaration against the
2164 constraint,
2165 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
2166 these declarations:
2167 <programlisting>
2168   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
2169   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
2170   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
2171   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
2172 </programlisting>
2173 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
2174 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
2175 no account of the context of the instance declaration
2176 (<literal>context1</literal> etc).
2177 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
2178 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
2179 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
2180 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
2181 particular constraint matches more than one.
2182 </para>
2183
2184 <para>
2185 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
2186 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
2187 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
2188 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
2189 most-specific match, the program is rejected.
2190 </para>
2191 <para>
2192 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
2193 <programlisting>
2194   f :: [b] -> [b]
2195   f x = ...
2196 </programlisting>
2197 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
2198 <literal>C Int [b]</literal>.  But
2199 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
2200 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
2201 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
2202 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
2203 GHC will instead pick (C), without complaining about 
2204 the problem of subsequent instantiations.
2205 </para>
2206 <para>
2207 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
2208 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
2209 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
2210 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
2211 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
2212 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
2213 <itemizedlist>
2214 <listitem><para>
2215 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
2216 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
2217 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
2218 more-specific instance does not matter.
2219 </para></listitem>
2220 <listitem><para>
2221 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
2222 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
2223 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
2224 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
2225 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
2226 check for that declaration.
2227 </para></listitem>
2228 </itemizedlist>
2229 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
2230 overlapping instances without the library client having to know.  
2231 </para>
2232 <para>
2233 If an instance declaration is compiled without
2234 <option>-fallow-overlapping-instances</option>,
2235 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
2236 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
2237 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
2238 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
2239 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
2240 are compiled, if the <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag is
2241 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
2242 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
2243 </para>
2244 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
2245 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
2246 </para>
2247 </sect3>
2248
2249 <sect3>
2250 <title>Type synonyms in the instance head</title>
2251
2252 <para>
2253 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
2254 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
2255 As always, using a type synonym is just shorthand for
2256 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
2257
2258
2259 <programlisting>
2260   type Point = (Int,Int)
2261   instance C Point   where ...
2262   instance C [Point] where ...
2263 </programlisting>
2264
2265
2266 is legal.  However, if you added
2267
2268
2269 <programlisting>
2270   instance C (Int,Int) where ...
2271 </programlisting>
2272
2273
2274 as well, then the compiler will complain about the overlapping
2275 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
2276 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
2277
2278
2279 <programlisting>
2280   type P a = [[a]]
2281   instance Monad P where ...
2282 </programlisting>
2283
2284
2285 This design decision is independent of all the others, and easily
2286 reversed, but it makes sense to me.
2287
2288 </para>
2289 </sect3>
2290
2291
2292 </sect2>
2293
2294 <sect2 id="type-restrictions">
2295 <title>Type signatures</title>
2296
2297 <sect3><title>The context of a type signature</title>
2298 <para>
2299 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
2300 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
2301 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
2302 these type signatures are perfectly OK
2303 <programlisting>
2304   g :: Eq [a] => ...
2305   g :: Ord (T a ()) => ...
2306 </programlisting>
2307 </para>
2308 <para>
2309 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
2310 Consider the type:
2311
2312 <programlisting>
2313   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
2314 </programlisting>
2315
2316 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
2317 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
2318 explicit source-language type signature are universally quantified,
2319 except for the class type variables in a class declaration.  However,
2320 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
2321 </para>
2322
2323 <para>
2324
2325 <orderedlist>
2326 <listitem>
2327
2328 <para>
2329  <emphasis>Each universally quantified type variable
2330 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
2331
2332 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
2333 in the same constraint as either a type variable free in in
2334 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
2335 A value with a type that does not obey 
2336 this reachability restriction cannot be used without introducing
2337 ambiguity; that is why the type is rejected.
2338 Here, for example, is an illegal type:
2339
2340
2341 <programlisting>
2342   forall a. Eq a => Int
2343 </programlisting>
2344
2345
2346 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
2347 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
2348 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
2349 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
2350 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
2351 get any more information about <literal>tv</literal>.
2352 </para>
2353 <para>
2354 Note
2355 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
2356 functionally dependent on a type variable free in
2357 <literal>type</literal> (see <xref
2358 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
2359 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
2360 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
2361 For example, consider:
2362 <programlisting>
2363   class C a b | a -> b where ...
2364   class C a b => D a b where ...
2365   f :: forall a b. D a b => a -> a
2366 </programlisting>
2367 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2368 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2369 </para>
2370 </listitem>
2371 <listitem>
2372
2373 <para>
2374  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2375 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2376
2377 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2378 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2379
2380
2381 <programlisting>
2382   forall a. C a b => burble
2383 </programlisting>
2384
2385
2386 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2387 mention <literal>a</literal>:
2388
2389
2390 <programlisting>
2391   forall a. Eq b => burble
2392 </programlisting>
2393
2394
2395 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2396 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2397 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2398 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2399 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2400 territory free in case we need it later.
2401
2402 </para>
2403 </listitem>
2404
2405 </orderedlist>
2406
2407 </para>
2408 </sect3>
2409
2410 <sect3 id="hoist">
2411 <title>For-all hoisting</title>
2412 <para>
2413 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
2414 end of an arrow, thus:
2415 <programlisting>
2416   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2417
2418   g :: Int -> Discard Int
2419   g x y z = x+y
2420 </programlisting>
2421 Simply expanding the type synonym would give
2422 <programlisting>
2423   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2424 </programlisting>
2425 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2426 <programlisting>
2427   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2428 </programlisting>
2429 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2430 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2431 performs the transformation:</emphasis>
2432 <programlisting>
2433   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2434 ==>
2435   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2436 </programlisting>
2437 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2438 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2439 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2440 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2441 <programlisting>
2442   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2443 </programlisting>
2444 </para>
2445 <para>
2446 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2447 example:
2448 <programlisting>
2449   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2450   g :: Foo (Foo Int)
2451 </programlisting>
2452 means
2453 <programlisting>
2454   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2455 </programlisting>
2456 </para>
2457 </sect3>
2458
2459
2460 </sect2>
2461
2462 <sect2 id="implicit-parameters">
2463 <title>Implicit parameters</title>
2464
2465 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2466 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2467 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2468 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2469 Boston, Jan 2000.
2470 </para>
2471
2472 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2473 due to Jeff Lewis.)</para>
2474
2475 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2476 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2477
2478 <para>
2479 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2480 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2481 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2482 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2483 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2484 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2485 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2486 only support static scoping of variables.
2487 </para>
2488 <para>
2489 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2490 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2491 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2492 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2493 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2494 of type <literal>t'</literal>". For
2495 example, the following expresses the type of a sort function,
2496 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2497 <programlisting>
2498   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2499 </programlisting>
2500 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2501 </para>
2502 <para>
2503 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2504 where <literal>x</literal> is
2505 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2506 Use of this construct also introduces a new
2507 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2508 For example, the following definition
2509 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2510 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2511 <programlisting>
2512   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2513
2514   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2515   sort    = sortBy ?cmp
2516 </programlisting>
2517 </para>
2518
2519 <sect3>
2520 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2521 <para>
2522 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2523 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2524 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2525 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2526 to pick out the least value in a list:
2527 <programlisting>
2528   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2529   least xs = head (sort xs)
2530 </programlisting>
2531 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2532 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2533 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2534 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2535 propagate them.
2536 </para>
2537 <para>
2538 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2539 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2540 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2541 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2542 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2543 class constraints.
2544 </para>
2545
2546 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2547 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2548 <programlisting>
2549   class (?x::Int) => C a where ...
2550   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2551 </programlisting>
2552 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2553 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2554 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2555 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2556 <para>
2557 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2558 <programlisting>
2559    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2560    f n = n + length ?x
2561
2562    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2563    g s = show (read s)
2564 </programlisting>
2565 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2566 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2567 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2568 </para>
2569 </sect3>
2570
2571 <sect3>
2572 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2573
2574 <para>
2575 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2576 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2577 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2578 <literal>cmp</literal>.
2579 <programlisting>
2580   min :: [a] -> a
2581   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2582 </programlisting>
2583 </para>
2584 <para>
2585 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2586 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2587 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2588 or a <literal>where</literal> clause.
2589 Note the following points:
2590 <itemizedlist>
2591 <listitem><para>
2592 An implicit-parameter binding group must be a
2593 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2594 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2595 neither polymorphic or recursive.  
2596 </para></listitem>
2597 <listitem><para>
2598 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2599 single <literal>let</literal>
2600 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2601 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2602 </para></listitem>
2603
2604 <listitem><para>
2605 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2606 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2607 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2608 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2609 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2610 the meaning of the program.
2611 For example, consider:
2612 <programlisting>
2613   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2614 </programlisting>
2615 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2616 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2617 <programlisting>
2618   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2619 </programlisting>
2620 </para></listitem>
2621 </itemizedlist>
2622 </para>
2623
2624 </sect3>
2625
2626 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2627
2628 <para>
2629 Consider these two definitions:
2630 <programlisting>
2631   len1 :: [a] -> Int
2632   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2633
2634   len_acc1 [] = ?acc
2635   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2636
2637   ------------
2638
2639   len2 :: [a] -> Int
2640   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2641
2642   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2643   len_acc2 [] = ?acc
2644   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2645 </programlisting>
2646 The only difference between the two groups is that in the second group
2647 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2648 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2649 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2650 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2651 has a type signature, the recursive call is made to the
2652 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2653 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2654 <programlisting>
2655   Prog> len1 "hello"
2656   0
2657   Prog> len2 "hello"
2658   5
2659 </programlisting>
2660 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2661 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2662 </para>
2663 </sect3>
2664
2665 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2666
2667 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2668 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2669 <programlisting>
2670  f :: Int -> Int
2671   f v = let ?x = 0     in
2672         let y = ?x + v in
2673         let ?x = 5     in
2674         y
2675 </programlisting>
2676 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2677 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2678 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2679 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2680 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2681 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2682 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2683 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2684 <literal>14</literal>.
2685 </para>
2686 </sect3>
2687 </sect2>
2688
2689     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
2690
2691     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
2692     them from the 6.6 user manual
2693
2694 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2695 <title>Linear implicit parameters</title>
2696 <para>
2697 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2698 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2699 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2700 </para>
2701 <itemizedlist>
2702 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2703 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2704 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2705 </itemizedlist>
2706
2707 <para>
2708 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2709 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
2710 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2711 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2712 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2713 </para>
2714 <para>
2715 For example:
2716 <programlisting>
2717     import GHC.Exts( Splittable )
2718
2719     data NameSupply = ...
2720     
2721     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2722     newName :: NameSupply -> Name
2723
2724     instance Splittable NameSupply where
2725         split = splitNS
2726
2727
2728     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2729     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2730                     where
2731                       x'   = newName %ns
2732                       env' = extend env x x'
2733     ...more equations for f...
2734 </programlisting>
2735 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2736 <itemizedlist>
2737 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2738 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2739 </itemizedlist>
2740 </para>
2741 <para>
2742 So the translation done by the type checker makes
2743 the parameter explicit:
2744 <programlisting>
2745     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2746     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2747                        where
2748                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2749                          x' = newName ns2
2750                          env = extend env x x'
2751 </programlisting>
2752 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2753 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2754 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2755 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2756 <programlisting>
2757         class Splittable a where
2758           split :: a -> (a,a)
2759 </programlisting>
2760 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2761 split for name supplies.  But we can simply write
2762 <programlisting>
2763         g x = (x, %ns, %ns)
2764 </programlisting>
2765 and GHC will infer
2766 <programlisting>
2767         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2768 </programlisting>
2769 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2770 <literal>GHC.Exts</literal>.
2771 </para>
2772 <para>
2773 Other points:
2774 <itemizedlist>
2775 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2776 are entirely distinct implicit parameters: you 
2777   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2778 </listitem>
2779
2780 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2781
2782 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2783   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2784 </itemizedlist>
2785 </para>
2786
2787 <sect3><title>Warnings</title>
2788
2789 <para>
2790 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2791 Consider the example above:
2792 <programlisting>
2793     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2794     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2795                     where
2796                       x'   = newName %ns
2797                       env' = extend env x x'
2798 </programlisting>
2799 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2800 usually a harmless thing to do, we get:
2801 <programlisting>
2802     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2803     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2804                     where
2805                       env' = extend env x (newName %ns)
2806 </programlisting>
2807 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2808 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2809 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2810 the beta rule.
2811 </para>
2812 <para>
2813 Well, this is an experimental change.  With implicit
2814 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2815 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2816 Haskell programs without knowing their typing.
2817 </para>
2818
2819 </sect3>
2820
2821 <sect3><title>Recursive functions</title>
2822 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2823 Consider
2824 <programlisting>
2825         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2826         foo 0 = []
2827         foo n = %x : foo (n-1)
2828 </programlisting>
2829 where T is some type in class Splittable.</para>
2830 <para>
2831 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2832 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2833 </para><para>
2834 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2835 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2836 translated term, where the implicit param is made explicit:
2837 <programlisting>
2838         foo x 0 = []
2839         foo x n = let (x1,x2) = split x
2840                   in x1 : foo x2 (n-1)
2841 </programlisting>
2842 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2843 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2844 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2845 work.  So the translation becomes
2846 <programlisting>
2847         foo x = let
2848                   foom 0 = []
2849                   foom n = x : foom (n-1)
2850                 in
2851                 foom
2852 </programlisting>
2853 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2854 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2855 Yikes!
2856 </para><para>
2857 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2858 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2859 </para>
2860 </sect3>
2861
2862 </sect2>
2863
2864 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
2865
2866 <sect2 id="sec-kinding">
2867 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2868
2869 <para>
2870 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2871 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2872 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2873 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2874 John Hughes had to define the data type:
2875 <screen>
2876      data Set cxt a = Set [a]
2877                     | Unused (cxt a -> ())
2878 </screen>
2879 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2880 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2881 </para>
2882 <para>
2883 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2884 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2885 <itemizedlist>
2886 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2887 <screen>
2888   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2889 </screen></para></listitem>
2890 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2891 <screen>
2892   type T (f :: * -> *) = f Int
2893 </screen></para></listitem>
2894 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2895 <screen>
2896   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2897 </screen></para></listitem>
2898 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2899 <screen>
2900   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2901 </screen></para></listitem>
2902 </itemizedlist>
2903 </para>
2904
2905 <para>
2906 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2907 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2908 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2909 single lexeme in Haskell.
2910 </para>
2911
2912 <para>
2913 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2914 as well.  Thus:
2915 <screen>
2916    f :: (Int :: *) -> Int
2917    g :: forall a. a -> (a :: *)
2918 </screen>
2919 The syntax is
2920 <screen>
2921    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2922 </screen>
2923 The parentheses are required.
2924 </para>
2925 </sect2>
2926
2927
2928 <sect2 id="universal-quantification">
2929 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2930 </title>
2931
2932 <para>
2933 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2934 allows us to say exactly what this means.  For example:
2935 </para>
2936 <para>
2937 <programlisting>
2938         g :: b -> b
2939 </programlisting>
2940 means this:
2941 <programlisting>
2942         g :: forall b. (b -> b)
2943 </programlisting>
2944 The two are treated identically.
2945 </para>
2946
2947 <para>
2948 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2949 explicit universal quantification in
2950 types. 
2951 For example, all the following types are legal:
2952 <programlisting>
2953     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2954     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2955
2956     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2957     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2958
2959     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2960 </programlisting>
2961 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2962 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2963 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2964 is implicitly added by Haskell.
2965 </para>
2966 <para>
2967 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2968 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2969 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2970 </para>
2971 <para>
2972 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2973 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2974 </para>
2975 <para>
2976 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2977 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2978 that restriction has now been lifted.)
2979 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2980 including an operational type class context, is legal:
2981 <itemizedlist>
2982 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2983 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2984 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2985 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2986 field type signatures.</para> </listitem>
2987 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2988 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2989 </itemizedlist>
2990 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2991 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2992 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2993 <programlisting>
2994     x1 :: [forall a. a->a]
2995     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2996     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2997 </programlisting>
2998 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2999 a type variable any more!
3000 </para>
3001
3002
3003 <sect3 id="univ">
3004 <title>Examples
3005 </title>
3006
3007 <para>
3008 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
3009 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
3010 </para>
3011
3012 <para>
3013
3014 <programlisting>
3015 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
3016
3017 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
3018                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
3019                         }
3020
3021 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
3022 </programlisting>
3023
3024 </para>
3025
3026 <para>
3027 The constructors have rank-2 types:
3028 </para>
3029
3030 <para>
3031
3032 <programlisting>
3033 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
3034 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
3035                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
3036                   -> MonadT m
3037 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
3038 </programlisting>
3039
3040 </para>
3041
3042 <para>
3043 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
3044 explicit context.  For example in the first argument of the
3045 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
3046 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
3047 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
3048 mentioned in the type quantified over.
3049 </para>
3050
3051 <para>
3052 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
3053 types too.  So if you write this:
3054
3055 <programlisting>
3056   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
3057 </programlisting>
3058
3059 it's just as if you had written this:
3060
3061 <programlisting>
3062   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
3063 </programlisting>
3064
3065 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
3066 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
3067 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
3068 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
3069 </para>
3070
3071 <para>
3072 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
3073 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
3074 </para>
3075
3076 <para>
3077
3078 <programlisting>
3079     a1 :: T Int
3080     a1 = T1 (\xy->x) 3
3081     
3082     a2, a3 :: Swizzle
3083     a2 = MkSwizzle sort
3084     a3 = MkSwizzle reverse
3085     
3086     a4 :: MonadT Maybe
3087     a4 = let r x = Just x
3088              b m k = case m of
3089                        Just y -> k y
3090                        Nothing -> Nothing
3091          in
3092          MkMonad r b
3093
3094     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
3095     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
3096 </programlisting>
3097
3098 </para>
3099
3100 <para>
3101 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
3102 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
3103 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
3104 </para>
3105
3106 <para>
3107 When you use pattern matching, the bound variables may now have
3108 polymorphic types.  For example:
3109 </para>
3110
3111 <para>
3112
3113 <programlisting>
3114     f :: T a -> a -> (a, Char)
3115     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3116
3117     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
3118     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
3119
3120     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
3121     h m [] = return m []
3122     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
3123                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
3124                  return m (y:ys)
3125 </programlisting>
3126
3127 </para>
3128
3129 <para>
3130 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
3131 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
3132 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
3133 matching.
3134 </para>
3135 </sect3>
3136
3137 <sect3>
3138 <title>Type inference</title>
3139
3140 <para>
3141 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
3142 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
3143 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
3144 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
3145 </para>
3146 <para>
3147 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
3148 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
3149 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
3150 </para>
3151 <para>
3152 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
3153 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
3154 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
3155 <programlisting>
3156      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
3157 </programlisting>
3158 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
3159 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
3160 <programlisting>
3161      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3162 </programlisting>
3163 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
3164 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
3165 one can give a type signature for the function itself:
3166 <programlisting>
3167      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3168      h f = (f True, f 'c')
3169 </programlisting>
3170 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
3171 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
3172 <programlisting>
3173     f :: T a -> a -> (a, Char)
3174     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3175 </programlisting>
3176 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
3177 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
3178 it needs to know.
3179 </para>
3180
3181 </sect3>
3182
3183
3184 <sect3 id="implicit-quant">
3185 <title>Implicit quantification</title>
3186
3187 <para>
3188 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
3189 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
3190 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
3191 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
3192 equivalent:
3193 <programlisting>
3194   f :: a -> a
3195   f :: forall a. a -> a
3196
3197   g (x::a) = let
3198                 h :: a -> b -> b
3199                 h x y = y
3200              in ...
3201   g (x::a) = let
3202                 h :: forall b. a -> b -> b
3203                 h x y = y
3204              in ...
3205 </programlisting>
3206 </para>
3207 <para>
3208 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
3209 point.  For example:
3210 <programlisting>
3211   f :: (a -> a) -> Int
3212            -- MEANS
3213   f :: forall a. (a -> a) -> Int
3214            -- NOT
3215   f :: (forall a. a -> a) -> Int
3216
3217
3218   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
3219            -- MEANS the illegal type
3220   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
3221            -- NOT
3222   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
3223 </programlisting>
3224 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
3225 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
3226 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
3227 for rank-2 types.
3228 </para>
3229 </sect3>
3230 </sect2>
3231
3232
3233 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
3234 <title>Impredicative polymorphism
3235 </title>
3236 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>.  This means
3237 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
3238 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
3239 <programlisting>
3240   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
3241   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
3242   f Nothing  = Nothing
3243 </programlisting>
3244 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
3245 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
3246 [a])</literal>.
3247 </para>
3248 <para>The technical details of this extension are described in the paper
3249 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy">Boxy types:
3250 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
3251 which appeared at ICFP 2006.  
3252 </para>
3253 </sect2>
3254
3255 <sect2 id="scoped-type-variables">
3256 <title>Lexically scoped type variables
3257 </title>
3258
3259 <para>
3260 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
3261 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
3262 <programlisting>
3263 f :: forall a. [a] -> [a]
3264 f xs = ys ++ ys
3265      where
3266        ys :: [a]
3267        ys = reverse xs
3268 </programlisting>
3269 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
3270 the entire definition of <literal>f</literal>.
3271 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>ys</varname>. 
3272 In Haskell 98 it is not possible to declare
3273 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
3274 it becomes possible to do so.
3275 </para>
3276 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
3277 <option>-fglasgow-exts</option>.
3278 </para>
3279 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
3280 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
3281 carefully!</para>
3282
3283 <sect3>
3284 <title>Overview</title>
3285
3286 <para>The design follows the following principles
3287 <itemizedlist>
3288 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
3289 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
3290 design.)</para></listitem>
3291 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
3292 type variables.  This means that every programmer-written type signature
3293 (includin one that contains free scoped type variables) denotes a
3294 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
3295 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
3296 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
3297 changing the program.</para></listitem>
3298 </itemizedlist>
3299 </para>
3300 <para>
3301 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
3302 <itemizedlist>
3303 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
3304 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
3305 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
3306 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
3307 </itemizedlist>
3308 </para>
3309 <para>
3310 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantifed over
3311 its free type variables (<ulink
3312 url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
3313 4.1.2</ulink> 
3314 of the Haskel Report).
3315 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
3316 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
3317 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
3318 then
3319 <programlisting>
3320   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
3321   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
3322   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
3323 </programlisting>
3324 </para>
3325
3326
3327 </sect3>
3328
3329
3330 <sect3 id="decl-type-sigs">
3331 <title>Declaration type signatures</title>
3332 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3333 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3334 explicitly-quantified
3335 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3336 <programlisting>
3337   f :: forall a. [a] -> [a]
3338   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3339 </programlisting>
3340 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3341 the definition of "<literal>f</literal>".
3342 </para>
3343 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3344 signature is explicit.  For example:
3345 <programlisting>
3346   g :: [a] -> [a]
3347   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3348 </programlisting>
3349 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3350 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3351 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3352 quantification rules.
3353 </para>
3354 </sect3>
3355
3356 <sect3 id="exp-type-sigs">
3357 <title>Expression type signatures</title>
3358
3359 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3360 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3361 explicitly-quantified
3362 type variables, in the annotated expression.  For example:
3363 <programlisting>
3364   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
3365 </programlisting>
3366 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
3367 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
3368 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
3369 </para>
3370
3371 </sect3>
3372
3373 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3374 <title>Pattern type signatures</title>
3375 <para>
3376 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
3377 signature</emphasis>.  
3378 For example:
3379 <programlisting>
3380   -- f and g assume that 'a' is already in scope
3381   f = \(x::Int, y::a) -> x
3382   g (x::a) = x
3383   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
3384 </programlisting>
3385 In the case where all the type variables in the pattern type sigature are
3386 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
3387 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
3388 </para>
3389 <para>
3390 There is only one situation in which you can write a pattern type signature that
3391 mentions a type variable that is not already in scope, namely in pattern match
3392 of an existential data constructor.  For example:
3393 <programlisting>
3394   data T = forall a. MkT [a]
3395
3396   k :: T -> T
3397   k (MkT [t::a]) = MkT t3
3398                  where
3399                    t3::[a] = [t,t,t]
3400 </programlisting>
3401 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
3402 variable that is not already in scope.  Indeed, it cannot already be in scope,
3403 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
3404 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
3405 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
3406 existentially-bound type variable.
3407 </para>
3408 <para>
3409 If this seems a little odd, we think so too.  But we must have
3410 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
3411 could not name existentially-bound type variables in subequent type signatures.
3412 </para>
3413 <para>
3414 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
3415 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
3416 scope.
3417 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
3418 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
3419 </para>
3420
3421
3422 </sect3>
3423
3424 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
3425
3426 <sect3 id="result-type-sigs">
3427 <title>Result type signatures</title>
3428
3429 <para>
3430 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
3431
3432 <programlisting>
3433   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
3434   f x y :: [a] = [x,y,x]
3435
3436   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
3437
3438   h :: forall a. [a] -> a
3439   h xs = case xs of
3440             (y:ys) :: a -> y
3441 </programlisting>
3442 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
3443 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
3444 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
3445 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
3446 </para>
3447 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
3448 <para>
3449 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
3450 examples would parse quite differently with parentheses:
3451 <programlisting>
3452   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
3453   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
3454
3455   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
3456
3457   h :: forall a. [a] -> a
3458   h xs = case xs of
3459             ((y:ys) :: a) -> y
3460 </programlisting>
3461 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
3462 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
3463 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
3464
3465 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3466 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3467 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3468 consider how one would parse this:
3469 <programlisting>
3470   \ x :: a -> b -> x
3471 </programlisting>
3472 </para>
3473 </sect3>
3474
3475  -->
3476
3477 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
3478 <title>Class and instance declarations</title>
3479 <para>
3480
3481 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3482 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3483
3484
3485 <programlisting>
3486   class C a where
3487     op :: [a] -> a
3488
3489     op xs = let ys::[a]
3490                 ys = reverse xs
3491             in
3492             head ys
3493 </programlisting>
3494 </para>
3495 </sect3>
3496
3497 </sect2>
3498
3499 <sect2 id="deriving-typeable">
3500 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3501
3502 <para>
3503 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3504 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3505 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3506 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3507 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3508 </para>
3509 <para>
3510 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3511 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3512 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3513 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3514 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3515 </para>
3516 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3517 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3518 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3519 described in
3520 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3521 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3522 </ulink>.
3523 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3524 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3525 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3526 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3527 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3528 then writing the data type instance by hand.
3529 </para>
3530 </sect2>
3531
3532 <sect2 id="newtype-deriving">
3533 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3534
3535 <para>
3536 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3537 the new type to inherit some instances from its representation. In
3538 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3539 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3540 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3541 example, if you define
3542
3543 <programlisting> 
3544   newtype Dollars = Dollars Int 
3545 </programlisting> 
3546
3547 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3548 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3549
3550 <programlisting> 
3551   instance Num Dollars where
3552     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3553     ...
3554 </programlisting>
3555 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3556 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3557 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3558 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3559 dictionary, only slower!
3560 </para>
3561
3562
3563 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3564 <para>
3565 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3566 <programlisting> 
3567   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3568 </programlisting> 
3569
3570 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3571 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3572 derives an instance declaration of the form
3573
3574 <programlisting> 
3575   instance Num Int => Num Dollars
3576 </programlisting> 
3577
3578 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3579 </para>
3580 <para>
3581
3582 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3583 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3584 transformers, such that
3585
3586 <programlisting> 
3587   instance Monad m => Monad (State s m) 
3588   instance Monad m => Monad (Failure m)
3589 </programlisting> 
3590 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3591 <programlisting> 
3592   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3593 </programlisting> 
3594
3595 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3596 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3597 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3598
3599 <programlisting> 
3600   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3601                          deriving Monad
3602 </programlisting>
3603 In this case the derived instance declaration is of the form 
3604 <programlisting> 
3605   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3606 </programlisting> 
3607
3608 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3609 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3610 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3611 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3612 declaration.
3613 </para>
3614 <para>
3615
3616 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3617 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3618 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3619 clause. For example, given the class
3620
3621 <programlisting> 
3622   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3623   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3624 </programlisting> 
3625 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3626 <programlisting> 
3627   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3628                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3629 </programlisting>
3630
3631 The derived instance is obtained by completing the application of the
3632 class to the new type:
3633
3634 <programlisting> 
3635   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3636            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3637 </programlisting>
3638 </para>
3639 <para>
3640
3641 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3642  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3643 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3644 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3645 the newtype and its representation.
3646 </para>
3647 </sect3>
3648
3649 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3650 <para>
3651 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3652 declaration (after expansion of any type synonyms)
3653
3654 <programlisting> 
3655   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3656 </programlisting> 
3657
3658 where 
3659  <itemizedlist>
3660 <listitem><para>
3661   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3662   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3663   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3664 </para></listitem>
3665 <listitem><para>
3666   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
3667 </para></listitem>
3668 <listitem><para>
3669   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
3670 </para></listitem>
3671 <listitem><para>
3672   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
3673   nor in the <literal>ci</literal>, and
3674 </para></listitem>
3675 <listitem><para>
3676   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3677                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3678                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3679                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3680                 via this new mechanism.  
3681 </para></listitem>
3682 </itemizedlist>
3683 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3684 declaration is:
3685 <programlisting> 
3686   instance ci t => ci (T v1...vk)
3687 </programlisting>
3688 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3689 <programlisting> 
3690   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3691 </programlisting> 
3692 Here we cannot derive the instance 
3693 <programlisting> 
3694   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3695 </programlisting> 
3696
3697 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3698 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3699 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3700 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3701 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3702 </para>
3703 <para>
3704
3705 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3706 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3707 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3708
3709 <programlisting> 
3710   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3711 </programlisting>
3712
3713 then we would not have been able to derive an instance for the
3714 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3715 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3716 instances is most interesting.
3717 </para>
3718 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3719 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3720 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3721 4.3.3. of the Haskell Report).
3722 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3723 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3724 the standard method is used or the one described here.)
3725 </para>
3726 </sect3>
3727
3728 </sect2>
3729
3730 <sect2 id="typing-binds">
3731 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3732
3733 <para>
3734 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3735 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3736 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3737 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3738 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3739 As each group is type-checked, any binders of the group that
3740 have
3741 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3742 polymorphic type,
3743 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3744 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3745 </para>
3746
3747 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3748 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3749 Haskell</ulink>,
3750 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3751 specified:
3752 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3753 type signature</emphasis>.
3754 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3755 typecheck.  For example, consider:
3756 <programlisting>
3757   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3758   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3759   
3760   g y = (y &lt;= y) || f True
3761 </programlisting>
3762 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3763 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3764 <literal>f</literal>,
3765 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3766 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3767 type is generalised, to get
3768 <programlisting>
3769   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3770 </programlisting>
3771 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3772 <literal>g</literal> in the type environment.
3773 </para>
3774
3775 <para>
3776 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3777 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3778 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3779 <option>-fglasgow-exts</option>
3780 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3781 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3782 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3783 <programlisting>
3784   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3785   f x = (x == x) || g True
3786   
3787   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3788   g y = (y &lt;= y) || f True
3789 </programlisting>
3790 </para>
3791 </sect2>
3792
3793 </sect1>
3794 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3795   
3796 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3797
3798 <sect1 id="gadt">
3799 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
3800
3801 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3802 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3803 <programlisting>
3804   data Term a where
3805       Lit    :: Int -> Term Int
3806       Succ   :: Term Int -> Term Int
3807       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3808       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3809       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3810 </programlisting>
3811 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3812 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3813 for these <literal>Terms</literal>:
3814 <programlisting>
3815   eval :: Term a -> a
3816   eval (Lit i)      = i
3817   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3818   eval (IsZero t)   = eval t == 0
3819   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3820   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
3821 </programlisting>
3822 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
3823 Tim Sheard. There is a longer introduction
3824 <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
3825 and Ralf Hinze's
3826 <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
3827 may use different notation to that implemented in GHC.
3828 </para>
3829 <para>
3830 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs. 
3831 It is far from comprehensive, but the design closely follows that described in
3832 the paper <ulink
3833 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/index.htm">Simple
3834 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
3835 which appeared in ICFP 2006.
3836 <itemizedlist>
3837 <listitem><para>
3838   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3839 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3840 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3841 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3842 <programlisting>
3843   data Term :: * -> * where ...
3844 </programlisting>
3845 or even a mixture of the two:
3846 <programlisting>
3847   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3848 </programlisting>
3849 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3850 like this:
3851 <programlisting>
3852   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3853 </programlisting>
3854 </para></listitem>
3855
3856 <listitem><para>
3857 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3858 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3859 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3860 </para></listitem>
3861
3862 <listitem><para>
3863 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
3864
3865 <programlisting>
3866   data Term a where
3867       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
3868       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
3869       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
3870       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
3871       Pair   { arg1 :: Term a
3872              , arg2 :: Term b
3873              }                    :: Term (a,b)
3874       If     { cnd  :: Term Bool
3875              , tru  :: Term a
3876              , fls  :: Term a
3877              }                    :: Term a
3878 </programlisting>
3879 For every constructor that has a field <literal>f</literal>, (a) the type of
3880 field <literal>f</literal> must be the same; and (b) the
3881 result type of the constructor must be the same; both modulo alpha conversion.
3882 Hence, in our example, we cannot merge the <literal>num</literal> and <literal>arg</literal>
3883 fields above into a 
3884 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
3885 their selector functions actually have different types:
3886
3887 <programlisting>
3888   num :: Term Int -> Term Int
3889   arg :: Term Bool -> Term Int
3890 </programlisting>
3891
3892 At the moment, record updates are not yet possible with GADT, so support is 
3893 limited to record construction, selection and pattern matching:
3894
3895 <programlisting>
3896   someTerm :: Term Bool
3897   someTerm = IsZero { arg = Succ { num = Lit { val = 0 } } }
3898
3899   eval :: Term a -> a
3900   eval Lit    { val = i } = i
3901   eval Succ   { num = t } = eval t + 1
3902   eval Pred   { num = t } = eval t - 1
3903   eval IsZero { arg = t } = eval t == 0
3904   eval Pair   { arg1 = t1, arg2 = t2 } = (eval t1, eval t2)
3905   eval t@If{} = if eval (cnd t) then eval (tru t) else eval (fls t)
3906 </programlisting>
3907
3908 </para></listitem>
3909
3910 <listitem><para>
3911 You can use strictness annotations, in the obvious places
3912 in the constructor type:
3913 <programlisting>
3914   data Term a where
3915       Lit    :: !Int -> Term Int
3916       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3917       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3918 </programlisting>
3919 </para></listitem>
3920
3921 <listitem><para>
3922 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
3923 declaration, but only if the data type could also have been declared in
3924 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
3925 <programlisting>
3926   data Maybe1 a where {
3927       Nothing1 :: Maybe1 a ;
3928       Just1    :: a -> Maybe1 a
3929     } deriving( Eq, Ord )
3930
3931   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
3932        deriving( Eq, Ord )
3933 </programlisting>
3934 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
3935 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
3936 </para></listitem>
3937
3938 <listitem><para>
3939 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3940 <programlisting>
3941   eval :: Term a -> a
3942   eval (Lit i) =  ...
3943 </programlisting>
3944 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3945 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3946 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3947
3948 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3949 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3950 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3951 <programlisting>
3952   eval :: Term a -> a -> a
3953   eval (Lit i) j =  i+j
3954 </programlisting>
3955 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3956 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3957 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3958 </para>
3959 </listitem>
3960 </itemizedlist>
3961 </para>
3962
3963 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3964 <programlisting>
3965   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3966   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
3967 </programlisting>
3968 </para>
3969 </sect1>
3970
3971 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3972
3973 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3974
3975 <sect1 id="template-haskell">
3976 <title>Template Haskell</title>
3977
3978 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
3979 Haskell.  
3980 The background to
3981 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3982 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3983 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3984 </para>
3985 <para>
3986 There is a Wiki page about
3987 Template Haskell at <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
3988 http://www.haskell.org/th/</ulink>, and that is the best place to look for
3989 further details.
3990 You may also 
3991 consult the <ulink
3992 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
3993 Haskell library reference material</ulink> 
3994 (search for the type ExpQ).
3995 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3996       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3997 Not all of these changes are in GHC 6.6.]
3998 </para>
3999
4000 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
4001 </para>
4002
4003 <para>
4004 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
4005 Tim Sheard is going to expand it.)
4006 </para>
4007
4008     <sect2>
4009       <title>Syntax</title>
4010
4011       <para> Template Haskell has the following new syntactic
4012       constructions.  You need to use the flag
4013       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
4014       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
4015       (<option>-fth</option> is no longer implied by
4016       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
4017
4018         <itemizedlist>
4019               <listitem><para>
4020                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
4021                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
4022                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
4023                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
4024                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
4025                   </para>
4026               <para> A splice can occur in place of 
4027                   <itemizedlist>
4028                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
4029                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
4030                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
4031                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
4032                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
4033                     </itemizedlist>
4034            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
4035         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
4036         as in the paper.)
4037                 </para></listitem>
4038
4039
4040               <listitem><para>
4041                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
4042                   <itemizedlist>
4043                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
4044                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
4045                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
4046                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
4047                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
4048                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
4049                   </itemizedlist></para></listitem>
4050
4051               <listitem><para>
4052                   Reification is written thus:
4053                   <itemizedlist>
4054                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
4055                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
4056                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
4057                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
4058                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
4059                     
4060                   </itemizedlist></para>
4061                 </listitem>
4062
4063                   
4064         </itemizedlist>
4065 </sect2>
4066
4067 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
4068 <para>
4069 <itemizedlist>
4070     <listitem><para>
4071     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
4072     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
4073     </para></listitem>
4074
4075     <listitem><para>
4076     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
4077             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
4078             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
4079    </para></listitem>
4080
4081     <listitem><para>
4082             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
4083    </para></listitem>
4084     <listitem><para>
4085             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
4086               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
4087               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
4088               the program it compiles produces results whose representations are identical to
4089               those of the compiler itself.
4090    </para></listitem>
4091 </itemizedlist>
4092 </para>
4093 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
4094         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
4095         has been lifted.
4096 </para>
4097 </sect2>
4098  
4099 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
4100 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
4101   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
4102
4103 <programlisting>
4104
4105 {- Main.hs -}
4106 module Main where
4107
4108 -- Import our template "pr"
4109 import Printf ( pr )
4110
4111 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
4112 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
4113 -- the argument of "putStrLn".
4114 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
4115
4116
4117 {- Printf.hs -}
4118 module Printf where
4119
4120 -- Skeletal printf from the paper.
4121 -- It needs to be in a separate module to the one where
4122 -- you intend to use it.
4123
4124 -- Import some Template Haskell syntax
4125 import Language.Haskell.TH
4126
4127 -- Describe a format string
4128 data Format = D | S | L String
4129
4130 -- Parse a format string.  This is left largely to you
4131 -- as we are here interested in building our first ever
4132 -- Template Haskell program and not in building printf.
4133 parse :: String -> [Format]
4134 parse s   = [ L s ]
4135
4136 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
4137 -- of the format string.  This code will be spliced into
4138 -- the module which calls "pr", at compile time.
4139 gen :: [Format] -> ExpQ
4140 gen [D]   = [| \n -> show n |]
4141 gen [S]   = [| \s -> s |]
4142 gen [L s] = stringE s
4143
4144 -- Here we generate the Haskell code for the splice
4145 -- from an input format string.
4146 pr :: String -> ExpQ
4147 pr s      = gen (parse s)
4148 </programlisting>
4149
4150 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
4151 </para>
4152 <programlisting>
4153 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
4154 </programlisting>
4155
4156 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
4157
4158 <programlisting>
4159 $ ./main
4160 Hello
4161 </programlisting>
4162
4163 </sect2>
4164
4165 <sect2>
4166 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
4167 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
4168  
4169 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
4170 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
4171 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
4172 itself is running; this means that the compiled code referred to by
4173 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
4174 in particular this means that object code that is compiled for
4175 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
4176 expression, because profiled object code is only compatible with the
4177 profiling version of the runtime.</para>
4178
4179 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
4180 containing Template Haskell code and you need to compile it for
4181 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
4182 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
4183 The basic idea is to compile the program twice:</para>
4184
4185 <orderedlist>
4186 <listitem>
4187   <para>Compile the program or library first the normal way, without
4188   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
4189 </listitem>
4190 <listitem>
4191   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
4192   additionally use <option>-osuf
4193   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
4194   to name the object files differentliy (you can choose any suffix
4195   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
4196   load the object files built in the first step when executing splice
4197   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
4198   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
4199   GHC will emit an error message. </para>
4200 </listitem>
4201 </orderedlist>
4202 </sect2>
4203
4204 </sect1>
4205
4206 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
4207
4208 <sect1 id="arrow-notation">
4209 <title>Arrow notation
4210 </title>
4211
4212 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
4213 For more details, see
4214 <itemizedlist>
4215
4216 <listitem>
4217 <para>
4218 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
4219 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
4220 pp67&ndash;111, May 2000.
4221 </para>
4222 </listitem>
4223
4224 <listitem>
4225 <para>
4226 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
4227 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
4228 </para>
4229 </listitem>
4230
4231 <listitem>
4232 <para>
4233 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
4234 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
4235 Palgrave, 2003.
4236 </para>
4237 </listitem>
4238
4239 </itemizedlist>
4240 and the arrows web page at
4241 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
4242 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
4243 notation described in the second of these papers.
4244 What follows is a brief introduction to the notation;
4245 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
4246 This notation is translated to ordinary Haskell,
4247 using combinators from the
4248 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4249 module.
4250 </para>
4251
4252 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
4253 <screen>
4254 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
4255        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4256 </screen>
4257 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
4258 The variables of the pattern are bound in the body of the 
4259 <literal>proc</literal>-expression,
4260 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
4261 The syntax of commands is as follows:
4262 <screen>
4263 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
4264        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4265        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4266 </screen>
4267 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4268 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4269 infix operators as for expressions, and
4270 <screen>
4271 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4272        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4273        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4274        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4275        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4276        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4277
4278 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4279        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4280        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4281
4282 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4283        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4284        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4285        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4286 </screen>
4287 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4288 except that the bodies are commands instead of expressions.
4289 </para>
4290
4291 <para>
4292 Commands produce values, but (like monadic computations)
4293 may yield more than one value,
4294 or none, and may do other things as well.
4295 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4296 using commands.
4297 However the values of expressions, even monadic ones,
4298 are determined by the values of the variables they contain;
4299 this is not necessarily the case for commands.
4300 </para>
4301
4302 <para>
4303 A simple example of the new notation is the expression
4304 <screen>
4305 proc x -> f -&lt; x+1
4306 </screen>
4307 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4308 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4309 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4310 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4311 It refers to the input to the arrow.
4312 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4313 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4314 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4315 (The weird look will make more sense later.)
4316 It may be read as analogue of application for arrows.
4317 The above example is equivalent to the Haskell expression
4318 <screen>
4319 arr (\ x -> x+1) >>> f
4320 </screen>
4321 That would make no sense if the expression to the left of
4322 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4323 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4324 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4325 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4326 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4327 <screen>
4328 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4329 </screen>
4330 which is equivalent to
4331 <screen>
4332 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4333 </screen>
4334 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4335 class.
4336 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4337 you may find a monadic formulation more convenient.
4338 </para>
4339
4340 <sect2>
4341 <title>do-notation for commands</title>
4342
4343 <para>
4344 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4345 For example, you can write
4346 <screen>
4347 proc x -> do
4348         y &lt;- f -&lt; x+1
4349         g -&lt; 2*y
4350         let z = x+y
4351         t &lt;- h -&lt; x*z
4352         returnA -&lt; t+z
4353 </screen>
4354 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4355 but with commands in place of monadic expressions.
4356 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4357 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4358 <literal>y</literal>.
4359 In the next line, the output is discarded.
4360 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4361 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4362 module as <literal>arr id</literal>.
4363 The above example is treated as an abbreviation for
4364 <screen>
4365 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4366         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4367         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4368         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4369         arr snd >>>
4370         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4371         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4372         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4373         returnA
4374 </screen>
4375 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4376 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4377 defined in the
4378 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4379 module, this reduces to
4380 <screen>
4381 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4382         first f >>>
4383         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4384         first g >>>
4385         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4386         first h >>>
4387         arr (\ (t, z) -> t+z)
4388 </screen>
4389 which is what you might have written by hand.
4390 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4391 </para>
4392
4393 <para>
4394 Note that although the above translation suggests that
4395 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4396 monomorphic, the actual translation produces Core,
4397 so polymorphic variables are allowed.
4398 </para>
4399
4400 <para>
4401 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4402 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4403 <programlisting>
4404 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4405 counter = proc reset -> do
4406         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4407                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4408         returnA -&lt; output
4409 </programlisting>
4410 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4411 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4412 </para>
4413
4414 </sect2>
4415
4416 <sect2>
4417 <title>Conditional commands</title>
4418
4419 <para>
4420 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4421 input for an arrow.
4422 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4423 <screen>
4424 proc (x,y) ->
4425         if f x y
4426         then g -&lt; x+1
4427         else h -&lt; y+2
4428 </screen>
4429 which is translated to
4430 <screen>
4431 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4432         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4433 </screen>
4434 Since the translation uses <function>|||</function>,
4435 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4436 </para>
4437
4438 <para>
4439 There are also <literal>case</literal> commands, like
4440 <screen>
4441 case input of
4442     [] -> f -&lt; ()
4443     [x] -> g -&lt; x+1
4444     x1:x2:xs -> do
4445         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4446         ys &lt;- k -&lt; xs
4447         returnA -&lt; y:ys
4448 </screen>
4449 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4450 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4451 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4452 </para>
4453
4454 </sect2>
4455
4456 <sect2>
4457 <title>Defining your own control structures</title>
4458
4459 <para>
4460 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4461 modelled on those for expressions,
4462 for sequencing, value recursion and conditionals.
4463 But suitable combinators,
4464 which you can define in ordinary Haskell,
4465 may also be used to build new commands out of existing ones.
4466 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4467 These environments assign values to the free local variables of the command.
4468 Thus combinators that produce arrows from arrows
4469 may also be used to build commands from commands.
4470 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4471 <programlisting>
4472 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4473 </programlisting>
4474 so we can use it to build commands:
4475 <programlisting>
4476 expr' = proc x -> do
4477                 returnA -&lt; x
4478         &lt;+> do
4479                 symbol Plus -&lt; ()
4480                 y &lt;- term -&lt; ()
4481                 expr' -&lt; x + y
4482         &lt;+> do
4483                 symbol Minus -&lt; ()
4484                 y &lt;- term -&lt; ()
4485                 expr' -&lt; x - y
4486 </programlisting>
4487 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4488 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4489 expression on the previous line.)
4490 This is equivalent to
4491 <programlisting>
4492 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4493         &lt;+> (proc x -> do
4494                 symbol Plus -&lt; ()
4495                 y &lt;- term -&lt; ()
4496                 expr' -&lt; x + y)
4497         &lt;+> (proc x -> do
4498                 symbol Minus -&lt; ()
4499                 y &lt;- term -&lt; ()
4500                 expr' -&lt; x - y)
4501 </programlisting>
4502 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4503 (representing the environment input to the command
4504 and thence to its subcommands)
4505 and satisfy the corresponding naturality property
4506 <screen>
4507 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4508 </screen>
4509 at least for strict <literal>k</literal>.
4510 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4511 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4512 of the whole command,
4513 and also allows the translation to safely trim these environments.
4514 The operator must also not use any variable defined within the current
4515 arrow abstraction.
4516 </para>
4517
4518 <para>
4519 We could define our own operator
4520 <programlisting>
4521 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4522 untilA body cond = proc x ->
4523         if cond x then returnA -&lt; ()
4524         else do
4525                 body -&lt; x
4526                 untilA body cond -&lt; x
4527 </programlisting>
4528 and use it in the same way.
4529 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4530 there is also a more general syntax involving special brackets:
4531 <screen>
4532 proc x -> do
4533         y &lt;- f -&lt; x+1
4534         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4535 </screen>
4536 </para>
4537
4538 </sect2>
4539
4540 <sect2>
4541 <title>Primitive constructs</title>
4542
4543 <para>
4544 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4545 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4546 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4547 exception that occurred to the handler.
4548 Such an operator might have a type
4549 <screen>
4550 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4551 </screen>
4552 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4553 You could then use this with arrow notation by writing a command
4554 <screen>
4555 body `handleA` \ ex -> handler
4556 </screen>
4557 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4558 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4559 and the command <literal>handler</literal>,
4560 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4561 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4562 we are talking about commands, and something different is going on.
4563 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4564 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4565 In all the prior examples, this stack was empty.
4566 In the second argument to <function>handleA</function>,
4567 this stack consists of one value, the value of the exception.
4568 The command form of lambda merely gives this value a name.
4569 </para>
4570
4571 <para>
4572 More concretely,
4573 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4574 So operators like <function>handleA</function> that pass
4575 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4576 by pairing the values with the environment in this way.
4577 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4578 should have the form
4579 <screen>
4580 a (...(e,t1), ... tn) t
4581 </screen>
4582 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4583 (representing the environment)
4584 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4585 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4586 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4587 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4588 <replaceable>t</replaceable>.
4589 However the arrows involved need not be the same.
4590 Here are some more examples of suitable operators:
4591 <screen>
4592 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4593 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4594 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4595 </screen>
4596 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4597 by applying them to ordinary expressions, as in
4598 <screen>
4599 proc x -> do
4600         s &lt;- ...
4601         (|runReader (do { ... })|) s
4602 </screen>
4603 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4604 built using <function>runReader</function>.
4605 </para>
4606
4607 <para>
4608 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4609 the expression versions.
4610 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4611 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4612 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4613 though the results would be somewhat clumsy.
4614 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4615 <programlisting>
4616 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4617 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4618
4619 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4620 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4621 </programlisting>
4622 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4623 <programlisting>
4624 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4625 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4626 </programlisting>
4627 </para>
4628
4629 </sect2>
4630
4631 <sect2>
4632 <title>Differences with the paper</title>
4633
4634 <itemizedlist>
4635
4636 <listitem>
4637 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4638 translations, the implementation provides two forms
4639 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4640 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4641 </para>
4642 </listitem>
4643
4644 <listitem>
4645 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4646 a new <literal>form</literal> keyword.
4647 </para>
4648 </listitem>
4649
4650 </itemizedlist>
4651
4652 </sect2>
4653
4654 <sect2>
4655 <title>Portability</title>
4656
4657 <para>
4658 Although only GHC implements arrow notation directly,
4659 there is also a preprocessor
4660 (available from the 
4661 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4662 that translates arrow notation into Haskell 98
4663 for use with other Haskell systems.
4664 You would still want to check arrow programs with GHC;
4665 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4666 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4667 additional restrictions:
4668 <itemizedlist>
4669
4670 <listitem>
4671 <para>
4672 The module must import
4673 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4674 </para>
4675 </listitem>
4676
4677 <listitem>
4678 <para>
4679 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4680 These would have to go in separate modules.
4681 </para>
4682 </listitem>
4683
4684 <listitem>
4685 <para>
4686 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4687 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4688 </para>
4689 </listitem>
4690
4691 </itemizedlist>
4692 </para>
4693
4694 </sect2>
4695
4696 </sect1>
4697
4698 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
4699
4700 <sect1 id="sec-bang-patterns">
4701 <title>Bang patterns
4702 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
4703 </title>
4704 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
4705 patterns</emphasis>.   Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
4706 The <ulink
4707 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
4708 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
4709 than the material below.
4710 </para>
4711 <para>
4712 Bang patterns are enabled by the flag <option>-fbang-patterns</option>.
4713 </para>
4714
4715 <sect2 id="sec-bang-patterns-informal">
4716 <title>Informal description of bang patterns
4717 </title>
4718 <para>
4719 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
4720 <programlisting>
4721   pat ::= !pat
4722 </programlisting>
4723 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
4724 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
4725 Example:
4726 <programlisting>
4727 f1 !x = True
4728 </programlisting>
4729 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
4730 whereas without the bang it would be lazy.
4731 Bang patterns can be nested of course:
4732 <programlisting>
4733 f2 (!x, y) = [x,y]
4734 </programlisting>
4735 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
4736 <literal>y</literal>.  
4737 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
4738 <programlisting>
4739 f3 !(x,y) = [x,y]
4740 f4 (x,y)  = [x,y]
4741 </programlisting>
4742 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; putting a bang before a pattern that
4743 forces evaluation anyway does nothing.
4744 </para><para>
4745 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
4746 <programlisting>
4747 g5 x = let y = f x in body
4748 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
4749 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
4750 </programlisting>
4751 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
4752 But <literal>g7</literal> evalutes <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
4753 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
4754 </para><para>
4755 Bang patterns work in <literal>let</literal> and <literal>where</literal>
4756 definitions too. For example:
4757 <programlisting>
4758 let ![x,y] = e in b
4759 </programlisting>
4760 is a strict pattern: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
4761 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>
4762 The "<literal>!</literal>" should not be regarded as part of the pattern; after all,
4763 in a function argument <literal>![x,y]</literal> means the 
4764 same as <literal>[x,y]</literal>.  Rather, the "<literal>!</literal>" 
4765 is part of the syntax of <literal>let</literal> bindings.
4766 </para>
4767 </sect2>
4768
4769
4770 <sect2 id="sec-bang-patterns-sem">
4771 <title>Syntax and semantics
4772 </title>
4773 <para>
4774
4775 We add a single new production to the syntax of patterns:
4776 <programlisting>
4777   pat ::= !pat
4778 </programlisting>
4779 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
4780 <programlisting>
4781 f !x = 3
4782 </programlisting>
4783 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
4784 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
4785 ambiguity inf favour of the latter.  If you want to define
4786 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
4787 prefix notation:
4788 <programlisting>
4789 (!) f x = 3
4790 </programlisting>
4791 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
4792 url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
4793 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
4794 one extra item 10, saying:
4795 <itemizedlist><listitem><para>Matching
4796 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
4797 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
4798                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
4799                 <literal>v</literal></para></listitem>
4800 </itemizedlist>
4801 </para></listitem></itemizedlist>
4802 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
4803 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
4804 <programlisting>
4805 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
4806    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
4807 </programlisting>
4808 </para><para>
4809 That leaves let expressions, whose translation is given in 
4810 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
4811 3.12</ulink>
4812 of the Haskell Report.
4813 In the translation box, first apply 
4814 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
4815 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
4816 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
4817 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
4818 </para>
4819 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
4820 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
4821 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
4822 thus:
4823 <programlisting>
4824   let !y = f x in b
4825 </programlisting>
4826
4827 </para>
4828 <para>
4829 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
4830 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
4831 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
4832      is equivalent to
4833 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
4834 </para>
4835 <para>
4836 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
4837 a module.
4838 </para>
4839 </sect2>
4840 </sect1>
4841
4842 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4843
4844 <sect1 id="sec-assertions">
4845 <title>Assertions
4846 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4847 </title>
4848
4849 <para>
4850 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4851 could define a function like the following:
4852 </para>
4853
4854 <para>
4855
4856 <programlisting>
4857 assert :: Bool -> a -> a
4858 assert False x = error "assertion failed!"
4859 assert _     x = x
4860 </programlisting>
4861
4862 </para>
4863
4864 <para>
4865 which works, but gives you back a less than useful error message --
4866 an assertion failed, but which and where?
4867 </para>
4868
4869 <para>
4870 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4871 takes a descriptive string to include in the error message and
4872 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4873 the source location where <function>assert</function> was used.
4874 </para>
4875
4876 <para>
4877 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4878 use of <function>assert</function> in the user's source:
4879 </para>
4880
4881 <para>
4882
4883 <programlisting>
4884 kelvinToC :: Double -> Double
4885 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4886 </programlisting>
4887
4888 </para>
4889
4890 <para>
4891 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4892 assertion was made,
4893 </para>
4894
4895 <para>
4896
4897 <programlisting>
4898 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4899 </programlisting>
4900
4901 </para>
4902
4903 <para>
4904 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4905 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4906 can still define and use your own versions of
4907 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4908 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4909 <function>assert</function> in your code.
4910 </para>
4911
4912 <para>
4913 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
4914       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
4915 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4916 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
4917       <option>-fignore-asserts</option>
4918       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
4919       </indexterm>.</para>
4920
4921 <para>
4922 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4923 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4924 </para>
4925
4926 </sect1>
4927
4928
4929 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4930
4931   <sect1 id="pragmas">
4932     <title>Pragmas</title>
4933
4934     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4935
4936     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4937     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4938     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4939     of the generated code.</para>
4940
4941     <para>Pragmas all take the form
4942
4943 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4944
4945     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4946     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4947     type of pragma.  Case is ignored in
4948     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4949     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4950     in the following sections; any pragma encountered with an
4951     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4952     ignored.</para>
4953
4954     <sect2 id="deprecated-pragma">
4955       <title>DEPRECATED pragma</title>
4956       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4957       </indexterm>
4958
4959       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4960       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4961       forms.
4962
4963       <itemizedlist>
4964         <listitem>
4965           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4966 <programlisting>
4967    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4968      ...
4969 </programlisting>
4970           <para>When you compile any module that import
4971           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4972           message.</para>
4973         </listitem>
4974
4975         <listitem>
4976           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
4977           following top-level declaration:</para>
4978 <programlisting>
4979    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4980 </programlisting>
4981           <para>When you compile any module that imports and uses any
4982           of the specified entities, GHC will print the specified
4983           message.</para>
4984           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
4985           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
4986           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
4987           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
4988           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
4989           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
4990           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
4991         </listitem>
4992       </itemizedlist>
4993       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4994       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4995       deprecations are not reported for
4996       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4997       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4998       The latter reduces spurious complaints within a library
4999       in which one module gathers together and re-exports 
5000       the exports of several others.
5001       </para>
5002       <para>You can suppress the warnings with the flag
5003       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
5004     </sect2>
5005
5006     <sect2 id="include-pragma">
5007       <title>INCLUDE pragma</title>
5008
5009       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
5010         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
5011         the C source code generated by the compiler for the current module (if
5012         compiling via C).  For example:</para>
5013
5014 <programlisting>
5015 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
5016 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
5017
5018       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
5019         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
5020         pragma(s).</para>
5021
5022       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
5023         to the <option>-#include</option> option (<xref
5024           linkend="options-C-compiler" />), because the
5025         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
5026         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
5027         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
5028         don't recommend using this approach with GHC.</para>
5029     </sect2>
5030
5031     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
5032       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
5033
5034       <para>These pragmas control the inlining of function
5035       definitions.</para>
5036
5037       <sect3 id="inline-pragma">
5038         <title>INLINE pragma</title>
5039         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
5040
5041         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
5042         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
5043         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
5044         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
5045         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
5046         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
5047         export that unfolding for other modules to use.</para>
5048
5049         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
5050         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
5051         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
5052
5053 <programlisting>
5054 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
5055
5056 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5057 {-# INLINE key_function #-}
5058 #endif
5059 </programlisting>
5060
5061         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
5062         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
5063         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
5064
5065         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
5066         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
5067         The normal unfolding machinery will then be very keen to
5068         inline it.</para>
5069
5070         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
5071         function can be put anywhere its type signature could be
5072         put.</para>
5073
5074         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
5075         good idea for the
5076         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
5077         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
5078         a monad.  For example, in GHC's own
5079         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
5080
5081 <programlisting>
5082 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5083 {-# INLINE thenUs #-}
5084 {-# INLINE returnUs #-}
5085 #endif
5086 </programlisting>
5087
5088         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
5089         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
5090       </sect3>
5091
5092       <sect3 id="noinline-pragma">
5093         <title>NOINLINE pragma</title>
5094         
5095         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
5096         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
5097
5098         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
5099         you'd expect: it stops the named function from being inlined
5100         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
5101         you're very cautious about code size.</para>
5102
5103         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
5104         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
5105         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
5106         inlining, so it should be used if you want your code to be
5107         portable).</para>
5108       </sect3>
5109
5110       <sect3 id="phase-control">
5111         <title>Phase control</title>
5112
5113         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
5114         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
5115         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
5116         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
5117         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
5118         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
5119         sequence of phase numbers for successive runs of the
5120         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
5121         phase number, thus:
5122         <itemizedlist>
5123           <listitem>
5124             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5125             <literal>f</literal>
5126               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5127               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
5128             </para></listitem>
5129           <listitem>
5130             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
5131             <literal>f</literal>
5132               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5133               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5134             </para></listitem>
5135           <listitem>
5136             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5137             <literal>f</literal>
5138               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5139               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
5140               there was no pragma).
5141             </para></listitem>
5142             <listitem>
5143             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
5144             <literal>f</literal>
5145               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5146               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5147             </para></listitem>
5148         </itemizedlist>
5149 The same information is summarised here:
5150 <programlisting>
5151                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
5152   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
5153   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
5154   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
5155   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
5156
5157   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
5158   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
5159 </programlisting>
5160 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
5161 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
5162 Another way to understand the semantics is this:
5163 <itemizedlist>
5164 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
5165 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
5166 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
5167 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
5168 happen.
5169 </para></listitem>
5170 </itemizedlist>
5171 </para>
5172 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
5173         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
5174       </sect3>
5175     </sect2>
5176
5177     <sect2 id="language-pragma">
5178       <title>LANGUAGE pragma</title>
5179
5180       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5181       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
5182
5183       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
5184         It is the intention that all Haskell compilers support the
5185         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
5186         all extensions are supported by all compilers, of
5187         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
5188         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
5189
5190       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
5191
5192 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
5193
5194       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
5195         <ulink
5196           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink> may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
5197     </sect2>
5198
5199
5200     <sect2 id="line-pragma">
5201       <title>LINE pragma</title>
5202
5203       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5204       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
5205       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
5206       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
5207       code.  It lets you specify the line number and filename of the
5208       original code; for example</para>
5209
5210 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
5211
5212       <para>if you'd generated the current file from something called
5213       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
5214       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
5215       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
5216       pragma.</para>
5217     </sect2>
5218
5219     <sect2 id="options-pragma">
5220       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
5221       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
5222       </indexterm>
5223       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
5224       </indexterm>
5225
5226       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
5227       additional options that are given to the compiler when compiling
5228       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
5229       details.</para>
5230
5231       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
5232         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
5233     </sect2>
5234
5235     <sect2 id="rules">
5236       <title>RULES pragma</title>
5237
5238       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
5239       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
5240     </sect2>
5241
5242     <sect2 id="specialize-pragma">
5243       <title>SPECIALIZE pragma</title>
5244
5245       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5246       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
5247       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5248
5249       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
5250       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
5251       specialised to particular types.  Thus, if you have an
5252       overloaded function:</para>
5253
5254 <programlisting>
5255   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
5256 </programlisting>
5257
5258       <para>If it is heavily used on lists with
5259       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
5260       follows:</para>
5261
5262 <programlisting>
5263   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
5264 </programlisting>
5265
5266       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
5267       be put anywhere its type signature could be put.</para>
5268
5269       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
5270       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
5271       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
5272       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
5273
5274       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
5275         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
5276         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
5277 <programlisting>
5278   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
5279 </programlisting>
5280       is valid if and only if the defintion
5281 <programlisting>
5282   f_spec :: &lt;type&gt;
5283   f_spec = f
5284 </programlisting>
5285       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
5286       for the original function, not its code):
5287 <programlisting>
5288   f :: Eq a => a -> b -> b
5289   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
5290
5291   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
5292   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
5293
5294   h :: Eq a => a -> a -> a
5295   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
5296 </programlisting>  
5297 The last of these examples will generate a 
5298 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
5299 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
5300 </para>
5301
5302 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
5303 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
5304 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
5305 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised verison of the
5306 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
5307 example is this:
5308 <programlisting>
5309 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
5310 data Arr e where
5311   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
5312   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
5313
5314 (!:) :: Arr e -> Int -> e
5315 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
5316 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
5317 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
5318 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
5319 </programlisting>
5320 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
5321 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
5322 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
5323 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
5324 <literal>(!:)</literal>,
5325 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
5326 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
5327 unrolling of the indexing function.</para>
5328 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
5329 on an ordinarily-recursive function.</para>
5330
5331       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
5332       specialised function for a given type:
5333
5334 <programlisting>
5335 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
5336 </programlisting>
5337
5338       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
5339       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
5340
5341     </sect2>
5342
5343 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
5344 <title>SPECIALIZE instance pragma
5345 </title>
5346
5347 <para>
5348 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5349 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5350 Same idea, except for instance declarations.  For example:
5351
5352 <programlisting>
5353 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
5354    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
5355    ... usual stuff ...
5356  }
5357 </programlisting>
5358 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
5359 of the instance declaration.
5360 </para>
5361 <para>
5362 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
5363 of the pragma.
5364 </para>
5365
5366 </sect2>
5367
5368     <sect2 id="unpack-pragma">
5369       <title>UNPACK pragma</title>
5370
5371       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
5372       
5373       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
5374       that it should unpack the contents of a constructor field into
5375       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
5376       example:</para>
5377
5378 <programlisting>
5379 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
5380            {-# UNPACK #-} !Float
5381 </programlisting>
5382
5383       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
5384       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
5385       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
5386       floats passed to a non-strict function for example, they will
5387       have to be reboxed (this is done automatically by the
5388       compiler).</para>
5389
5390       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
5391       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
5392       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
5393       often as possible.  For example:</para>
5394
5395 <programlisting>
5396 f :: T -&#62; Float
5397 f (T f1 f2) = f1 + f2
5398 </programlisting>
5399
5400       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
5401       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
5402       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
5403
5404       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
5405       example</para>
5406
5407 <programlisting>
5408 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
5409 </programlisting>
5410
5411       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
5412       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5413       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5414
5415 <programlisting>
5416 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5417 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5418 </programlisting>
5419
5420       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5421       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5422       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5423
5424       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5425       so it might be an idea to check the generated code with
5426       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5427
5428       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5429       which essentially has the effect of adding
5430       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5431       constructor field.</para>
5432     </sect2>
5433
5434 </sect1>
5435
5436 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5437
5438 <sect1 id="rewrite-rules">
5439 <title>Rewrite rules
5440
5441 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5442 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5443 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5444
5445 <para>
5446 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5447 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5448 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5449 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5450 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified, and (c) the
5451 <option>-fglasgow-exts</option> (<xref linkend="options-language"/>)
5452 flag is active.
5453 </para>
5454
5455 <para>
5456 Here is an example:
5457
5458 <programlisting>
5459   {-# RULES
5460         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5461   #-}
5462 </programlisting>
5463
5464 </para>
5465
5466 <sect2>
5467 <title>Syntax</title>
5468
5469 <para>
5470 From a syntactic point of view:
5471
5472 <itemizedlist>
5473 <listitem>
5474
5475 <para>
5476  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5477 </para>
5478 </listitem>
5479
5480 <listitem>
5481
5482 <para>
5483  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5484 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5485 </para>
5486 </listitem>
5487
5488 <listitem>
5489 <para>
5490 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5491 immediately after the name of the rule.  Thus:
5492 <programlisting>
5493   {-# RULES
5494         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5495   #-}
5496 </programlisting>
5497 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5498 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5499 Phase 2.
5500 </para>
5501 </listitem>
5502
5503
5504 <listitem>
5505
5506 <para>
5507  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5508 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5509 enclosing definitions.
5510 </para>
5511 </listitem>
5512
5513 <listitem>
5514
5515 <para>
5516  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5517 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5518 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5519 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5520 </para>
5521 </listitem>
5522 <listitem>
5523
5524 <para>
5525  A pattern variable may optionally have a type signature.
5526 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5527 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5528
5529 <programlisting>
5530 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5531               foldr k z (build g) = g k z
5532 </programlisting>
5533
5534 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5535
5536 </para>
5537 </listitem>
5538 <listitem>
5539
5540 <para>
5541 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5542 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5543
5544 <programlisting>
5545 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5546 "wrong2"   forall f.      f True = True
5547 </programlisting>
5548
5549 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5550 in the head.
5551 </para>
5552 </listitem>
5553 <listitem>
5554
5555 <para>
5556  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5557 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5558 </para>
5559 </listitem>
5560 <listitem>
5561
5562 <para>
5563  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5564 </para>
5565 </listitem>
5566
5567 </itemizedlist>
5568
5569 </para>
5570
5571 </sect2>
5572
5573 <sect2>
5574 <title>Semantics</title>
5575
5576 <para>
5577 From a semantic point of view:
5578
5579 <itemizedlist>
5580 <listitem>
5581
5582 <para>
5583 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5584 </para>
5585 </listitem>
5586
5587 <listitem>
5588 <para>
5589  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5590 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5591 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5592 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5593 expression by substituting for the pattern variables.
5594
5595 </para>
5596 </listitem>
5597 <listitem>
5598
5599 <para>
5600  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5601 same type.
5602
5603 </para>
5604 </listitem>
5605 <listitem>
5606
5607 <para>
5608  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5609 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5610 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5611
5612 </para>
5613 </listitem>
5614 <listitem>
5615
5616 <para>
5617  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5618 terminating.  For example:
5619
5620 <programlisting>
5621   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5622 </programlisting>
5623
5624 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5625
5626 </para>
5627 </listitem>
5628 <listitem>
5629
5630 <para>
5631  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5632
5633 </para>
5634 </listitem>
5635 <listitem>
5636 <para>
5637  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5638 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5639 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5640 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5641 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5642 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5643 </para>
5644
5645 <para>
5646 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5647 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5648 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5649 </para>
5650 </listitem>
5651 <listitem>
5652
5653 <para>
5654  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5655 For example, consider:
5656
5657 <programlisting>
5658   let s = map f
5659       t = map g
5660   in
5661   s (t xs)
5662 </programlisting>
5663
5664 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5665 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5666 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5667 not be substituted, and the rule would not fire.
5668
5669 </para>
5670 </listitem>
5671 <listitem>
5672
5673 <para>
5674  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5675 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5676 for something you can't match against it (given the simple minded
5677 matching).  So if you write the rule
5678
5679 <programlisting>
5680         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5681 </programlisting>
5682
5683 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5684 It will only match something written with explicit use of ".".
5685 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5686
5687 <programlisting>
5688 wibble f g xs
5689 </programlisting>
5690
5691 where <function>wibble</function> is defined:
5692
5693 <programlisting>
5694 wibble f g = map f . map g
5695 </programlisting>
5696
5697 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5698
5699 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5700 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5701 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5702
5703 </para>
5704 </listitem>
5705 <listitem>
5706
5707 <para>
5708  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5709 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5710 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5711 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5712 declarations.
5713 </para>
5714 </listitem>
5715
5716 </itemizedlist>
5717
5718 </para>
5719
5720 </sect2>
5721
5722 <sect2>
5723 <title>List fusion</title>
5724
5725 <para>
5726 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5727 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5728 intermediate list should be eliminated entirely.
5729 </para>
5730
5731 <para>
5732 The following are good producers:
5733
5734 <itemizedlist>
5735 <listitem>
5736
5737 <para>
5738  List comprehensions
5739 </para>
5740 </listitem>
5741 <listitem>
5742
5743 <para>
5744  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5745 </para>
5746 </listitem>
5747 <listitem>
5748
5749 <para>
5750  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5751 </para>
5752 </listitem>
5753 <listitem>
5754
5755 <para>
5756  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5757 </para>
5758 </listitem>
5759 <listitem>
5760
5761 <para>
5762  <function>++</function>
5763 </para>
5764 </listitem>
5765
5766 <listitem>
5767 <para>
5768  <function>map</function>
5769 </para>
5770 </listitem>
5771
5772 <listitem>
5773 <para>
5774 <function>take</function>, <function>filter</function>
5775 </para>
5776 </listitem>
5777 <listitem>
5778
5779 <para>
5780  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5781 </para>
5782 </listitem>
5783 <listitem>
5784
5785 <para>
5786  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5787 </para>
5788 </listitem>
5789
5790 </itemizedlist>
5791
5792 </para>
5793
5794 <para>
5795 The following are good consumers:
5796
5797 <itemizedlist>
5798 <listitem>
5799
5800 <para>
5801  List comprehensions
5802 </para>
5803 </listitem>
5804 <listitem>
5805
5806 <para>
5807  <function>array</function> (on its second argument)
5808 </para>
5809 </listitem>
5810 <listitem>
5811
5812 <para>
5813  <function>length</function>
5814 </para>
5815 </listitem>
5816 <listitem>
5817
5818 <para>
5819  <function>++</function> (on its first argument)
5820 </para>
5821 </listitem>
5822
5823 <listitem>
5824 <para>
5825  <function>foldr</function>
5826 </para>
5827 </listitem>
5828
5829 <listitem>
5830 <para>
5831  <function>map</function>
5832 </para>
5833 </listitem>
5834 <listitem>
5835
5836 <para>
5837 <function>take</function>, <function>filter</function>
5838 </para>
5839 </listitem>
5840 <listitem>
5841
5842 <para>
5843  <function>concat</function>
5844 </para>
5845 </listitem>
5846 <listitem>
5847
5848 <para>
5849  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5850 </para>
5851 </listitem>
5852 <listitem>
5853
5854 <para>
5855  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5856 will fuse with one but not the other)
5857 </para>
5858 </listitem>
5859 <listitem>
5860
5861 <para>
5862  <function>partition</function>
5863 </para>
5864 </listitem>
5865 <listitem>
5866
5867 <para>
5868  <function>head</function>
5869 </para>
5870 </listitem>
5871 <listitem>
5872
5873 <para>
5874  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5875 </para>
5876 </listitem>
5877 <listitem>
5878
5879 <para>
5880  <function>sequence&lowbar;</function>
5881 </para>
5882 </listitem>
5883 <listitem>
5884
5885 <para>
5886  <function>msum</function>
5887 </para>
5888 </listitem>
5889 <listitem>
5890
5891 <para>
5892  <function>sortBy</function>
5893 </para>
5894 </listitem>
5895
5896 </itemizedlist>
5897
5898 </para>
5899
5900  <para>
5901 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5902
5903 <programlisting>
5904 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5905 </programlisting>
5906
5907 </para>
5908
5909 <para>
5910 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5911 a lot which are not included, please tell us.
5912 </para>
5913
5914 <para>
5915 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5916 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5917 </para>
5918
5919 </sect2>
5920
5921 <sect2 id="rule-spec">
5922 <title>Specialisation
5923 </title>
5924
5925 <para>
5926 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5927 present in earlier versions of GHC.
5928 For example, suppose that:
5929
5930 <programlisting>
5931 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5932 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5933 </programlisting>
5934
5935 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5936 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5937 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5938 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5939 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5940 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5941 It used to be possible to write
5942
5943 <programlisting>
5944 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5945 </programlisting>
5946
5947 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5948
5949 <programlisting>
5950 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5951 </programlisting>
5952
5953 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5954 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5955 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5956 What is more, this rule does not need to be in the same
5957 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5958 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5959 have an original definition available to specialise).
5960 </para>
5961
5962 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5963 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5964 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5965
5966 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5967 specialisation will Win Big:
5968
5969 <programlisting>
5970 toDouble :: Real a => a -> Double
5971 toDouble = fromRational . toRational
5972
5973 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5974 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5975 </programlisting>
5976
5977 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5978 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5979 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5980 comparison.
5981 </para>
5982
5983 </sect2>
5984
5985 <sect2>
5986 <title>Controlling what's going on</title>
5987
5988 <para>
5989
5990 <itemizedlist>
5991 <listitem>
5992
5993 <para>
5994  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5995 </para>
5996 </listitem>
5997 <listitem>
5998
5999 <para>
6000  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
6001 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
6002 </para>
6003 </listitem>
6004 <listitem>
6005
6006 <para>
6007  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
6008
6009 <programlisting>
6010         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
6011         {-# INLINE build #-}
6012         build g = g (:) []
6013 </programlisting>
6014
6015 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
6016 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
6017 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
6018 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
6019
6020 </para>
6021 </listitem>
6022 <listitem>
6023
6024 <para>
6025  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
6026 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
6027 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
6028 </para>
6029 </listitem>
6030
6031 </itemizedlist>
6032
6033 </para>
6034
6035 </sect2>
6036
6037 <sect2 id="core-pragma">
6038   <title>CORE pragma</title>
6039
6040   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
6041   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
6042   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
6043
6044 <para>
6045   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
6046   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
6047   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
6048   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
6049   literal as an argument.  The following function definition shows an
6050   example:
6051
6052 <programlisting>
6053 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
6054 </programlisting>
6055
6056   Semantically, this is equivalent to:
6057
6058 <programlisting>
6059 g x = show x
6060 </programlisting>
6061 </para>
6062
6063 <para>
6064   However, when external for is generated (via
6065   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
6066   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
6067   The core function declaration for <function>f</function> is:
6068 </para>
6069
6070 <programlisting>
6071   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
6072                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
6073     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
6074         (%note "foo"
6075          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
6076            {GHCziShow.ZCDShow
6077             (tpl1::GHCziBase.Int ->
6078                    a ->
6079                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6080 r)
6081             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
6082             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
6083                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6084 r) ->
6085               tpl2})
6086         (%note "bar"
6087          eta);
6088 </programlisting>
6089
6090 <para>
6091   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
6092   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
6093   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
6094   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
6095   <varname>x</varname>).
6096 </para>
6097
6098 </sect2>
6099
6100 </sect1>
6101
6102 <sect1 id="special-ids">
6103 <title>Special built-in functions</title>
6104 <para>GHC has a few built-in funcions with special behaviour, 
6105 described in this section.  All are exported by
6106 <literal>GHC.Exts</literal>.</para>
6107
6108 <sect2> <title>The <literal>inline</literal> function </title>
6109 <para>
6110 The <literal>inline</literal> function is somewhat experimental.
6111 <programlisting>
6112   inline :: a -> a
6113 </programlisting>
6114 The call <literal>(inline f)</literal> arranges that <literal>f</literal> 
6115 is inlined, regardless of its size.  More precisely, the call
6116 <literal>(inline f)</literal> rewrites to the right-hand side of <literal>f</literal>'s 
6117 definition.  
6118 This allows the programmer to control inlining from 
6119 a particular <emphasis>call site</emphasis>
6120 rather than the <emphasis>definition site</emphasis> of the function 
6121 (c.f. <literal>INLINE</literal> pragmas <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>).
6122 </para>
6123 <para>
6124 This inlining occurs regardless of the argument to the call
6125 or the size of <literal>f</literal>'s definition; it is unconditional.
6126 The main caveat is that <literal>f</literal>'s definition must be
6127 visible to the compiler.  That is, <literal>f</literal> must be
6128 let-bound in the current scope.
6129 If no inlining takes place, the <literal>inline</literal> function
6130 expands to the identity function in Phase zero; so its use imposes
6131 no overhead.</para>
6132
6133 <para> If the function is defined in another
6134 module, GHC only exposes its inlining in the interface file if the
6135 function is sufficiently small that it <emphasis>might</emphasis> be
6136 inlined by the automatic mechanism.  There is currently no way to tell
6137 GHC to expose arbitrarily-large functions in the interface file.  (This
6138 shortcoming is something that could be fixed, with some kind of pragma.)
6139 </para>
6140 </sect2>
6141
6142 <sect2> <title>The <literal>lazy</literal> function </title>
6143 <para>
6144 The <literal>lazy</literal> function restrains strictness analysis a little:
6145 <programlisting>
6146   lazy :: a -> a
6147 </programlisting>
6148 The call <literal>(lazy e)</literal> means the same as <literal>e</literal>, 
6149 but <literal>lazy</literal> has a magical property so far as strictness
6150 analysis is concerned: it is lazy in its first argument,
6151 even though its semantics is strict.  After strictness analysis has run,
6152 calls to <literal>lazy</literal> are inlined to be the identity function.
6153 </para>
6154 <para>
6155 This behaviour is occasionally useful when controlling evaluation order.
6156 Notably, <literal>lazy</literal> is used in the library definition of
6157 <literal>Control.Parallel.par</literal>:
6158 <programlisting>
6159   par :: a -> b -> b
6160   par x y = case (par# x) of { _ -> lazy y }
6161 </programlisting>
6162 If <literal>lazy</literal> were not lazy, <literal>par</literal> would
6163 look strict in <literal>y</literal> which would defeat the whole 
6164 purpose of <literal>par</literal>.
6165 </para>
6166 </sect2>
6167
6168 <sect2> <title>The <literal>unsafeCoerce#</literal> function </title>
6169 <para>
6170 The function <literal>unsafeCoerce#</literal> allows you to side-step the
6171 typechecker entirely.  It has type
6172 <programlisting>
6173   unsafeCoerce# :: a -> b
6174 </programlisting>
6175 That is, it allows you to coerce any type into any other type.  If you use this
6176 function, you had better get it right, otherwise segmentation faults await. 
6177 It is generally used when you want to write a program that you know is
6178 well-typed, but where Haskell's type system is not expressive enough to prove
6179 that it is well typed.
6180 </para>
6181 </sect2>
6182 </sect1>
6183
6184
6185 <sect1 id="generic-classes">
6186 <title>Generic classes</title>
6187
6188 <para>
6189 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
6190 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
6191 An example will give the idea:
6192 </para>
6193
6194 <programlisting>
6195   import Generics
6196
6197   class Bin a where
6198     toBin   :: a -> [Int]
6199     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
6200   
6201     toBin {| Unit |}    Unit      = []
6202     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
6203     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
6204     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
6205   
6206     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
6207     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
6208     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
6209     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
6210                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
6211 </programlisting>
6212 <para>
6213 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
6214 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
6215 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
6216 </para>
6217 <programlisting>
6218   data Unit    = Unit
6219   data a :+: b = Inl a | Inr b
6220   data a :*: b = a :*: b
6221 </programlisting>
6222 <para>
6223 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
6224 <programlisting>
6225   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
6226   instance Bin a => Bin [a]
6227 </programlisting>
6228 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
6229 where clause and over-ride whichever methods you please.
6230 </para>
6231
6232     <sect2>
6233       <title> Using generics </title>
6234       <para>To use generics you need to</para>
6235       <itemizedlist>
6236         <listitem>
6237           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
6238                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
6239                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
6240                 available.  </para>
6241         </listitem>
6242         <listitem>
6243           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
6244           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
6245           scope the data types <literal>Unit</literal>,
6246           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
6247           don't need this import if you don't mention these types
6248           explicitly; for example, if you are simply giving instance
6249           declarations.)</para>
6250         </listitem>
6251       </itemizedlist>
6252     </sect2>
6253
6254 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
6255 <para>
6256 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
6257 can be written infix (indeed, you can now use
6258 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
6259 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
6260 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
6261 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
6262 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
6263 anticipate wanting).
6264 </para>
6265 </sect2>
6266
6267 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
6268 <para>
6269 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
6270 is one that is defined using type patterns as above.
6271 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
6272 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
6273 generic default method.
6274 </para>
6275
6276 <para>
6277 Restrictions:
6278 <itemizedlist>
6279 <listitem>
6280 <para>
6281 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
6282 field labels.
6283 </para>
6284 </listitem>
6285
6286 <listitem>
6287 <para>
6288 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
6289 multi-parameter class.
6290 </para>
6291 </listitem>
6292
6293 <listitem>
6294 <para>
6295 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
6296 without.  So this is illegal:
6297 <programlisting>
6298   class Foo a where
6299     op :: a -> (a, Bool)
6300     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
6301     op x               = (x,    False)
6302 </programlisting>
6303 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
6304 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
6305 </para>
6306 </listitem>
6307
6308 <listitem>
6309 <para>
6310 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
6311 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:
6312 <programlisting>
6313   class Foo a where
6314     op :: a -> Bool
6315     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
6316     ...
6317 </programlisting>
6318 </para>
6319 </listitem>
6320
6321 <listitem>
6322 <para>
6323 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
6324 <programlisting>
6325        a :+: b
6326        a :*: b
6327        Unit
6328 </programlisting>
6329 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
6330 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
6331 must use the same type variables.  So this is illegal:
6332 <programlisting>
6333   class Foo a where
6334     op :: a -> Bool
6335     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
6336     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
6337 </programlisting>
6338 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
6339 So this too is illegal:
6340 <programlisting>
6341   class Foo a where
6342     op1 :: a -> Bool
6343     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
6344
6345     op2 :: a -> Bool
6346     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
6347 </programlisting>
6348 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
6349 into a single generic instance declaration.)
6350 </para>
6351 </listitem>
6352
6353 <listitem>
6354 <para>
6355 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
6356 </para>
6357 </listitem>
6358
6359 <listitem>
6360 <para>
6361 The type for a generic method can be built only from:
6362   <itemizedlist>
6363   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
6364   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
6365   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
6366   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
6367   </itemizedlist>
6368 Here are some example type signatures for generic methods:
6369 <programlisting>
6370     op1 :: a -> Bool
6371     op2 :: Bool -> (a,Bool)
6372     op3 :: [Int] -> a -> a
6373     op4 :: [a] -> Bool
6374 </programlisting>
6375 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
6376 inside a list.  
6377 </para>
6378 <para>
6379 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
6380 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
6381 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
6382 to the ones that are allowed.</para>
6383 </listitem>
6384
6385 <listitem>
6386 <para>
6387 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
6388 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
6389 do so if
6390   <itemizedlist>
6391   <listitem>
6392   <para>
6393   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
6394   </para>
6395   </listitem>
6396   <listitem>
6397   <para>
6398   No constructor of the instance type has unboxed fields.
6399   </para>
6400   </listitem>
6401   </itemizedlist>
6402 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
6403 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
6404 provided you give explicit code to override any generic default methods.
6405 </para>
6406 </listitem>
6407
6408 </itemizedlist>
6409 </para>
6410
6411 <para>
6412 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
6413 what the compiler does with generic declarations.
6414 </para>
6415
6416 </sect2>
6417
6418 <sect2> <title> Another example </title>
6419 <para>
6420 Just to finish with, here's another example I rather like:
6421 <programlisting>
6422   class Tag a where
6423     nCons :: a -> Int
6424     nCons {| Unit |}    _ = 1
6425     nCons {| a :*: b |} _ = 1
6426     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
6427   
6428     tag :: a -> Int
6429     tag {| Unit |}    _       = 1
6430     tag {| a :*: b |} _       = 1   
6431     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
6432     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
6433 </programlisting>
6434 </para>
6435 </sect2>
6436 </sect1>
6437
6438 <sect1 id="monomorphism">
6439 <title>Control over monomorphism</title>
6440
6441 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
6442 carried out at let and where bindings.
6443 </para>
6444
6445 <sect2>
6446 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
6447           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
6448
6449 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
6450 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
6451 4.5.5</ulink>
6452 of the Haskell Report)
6453 can be completely switched off by
6454 <option>-fno-monomorphism-restriction</option>.
6455 </para>
6456 </sect2>
6457
6458 <sect2>
6459 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
6460           <indexterm><primary><option>-fno-mono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6461           <indexterm><primary><option>-fmono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6462
6463           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
6464           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
6465             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
6466             and is not a simple variable.  For example:
6467 <programlisting>
6468   f x = x                    -- Not a pattern binding
6469   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
6470   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
6471
6472   (g,h) = e                  -- A pattern binding
6473   (f) = e                    -- A pattern binding
6474   [x] = e                    -- A pattern binding
6475 </programlisting>
6476 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
6477 default</emphasis>.  Use <option>-fno-mono-pat-binds</option> to recover the
6478 standard behaviour.
6479 </para>
6480 </sect2>
6481 </sect1>
6482
6483
6484
6485 <!-- Emacs stuff:
6486      ;;; Local Variables: ***
6487      ;;; mode: xml ***
6488      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
6489      ;;; End: ***
6490  -->
6491