Remove outdated link to OGI webpage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