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311 became out of date, and wrong information is worse than none.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