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