Documentation for impredicative polymorphism
[ghc-hetmet.git] / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>,<option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120         </term>
121         <listitem>
122           <para> These two flags control how generalisation is done.
123             See <xref linkend="monomorphism"/>.
124           </para>
125         </listitem>
126       </varlistentry>
127
128       <varlistentry>
129         <term>
130           <option>-fextended-default-rules</option>:
131           <indexterm><primary><option>-fextended-default-rules</option></primary></indexterm>
132         </term>
133         <listitem>
134           <para> Use GHCi's extended default rules in a regular module (<xref linkend="extended-default-rules"/>).
135           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
136           flag. </para>
137         </listitem>
138       </varlistentry>
139
140       <varlistentry>
141         <term>
142           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
143           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
144         </term>
145         <term>
146           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
147           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
148         </term>
149         <term>
150           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
151           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
152         </term>
153         <term>
154           <option>-fcontext-stack=N</option>
155           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
159           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-finline-phase</option>
166           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
170           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171         </listitem>
172       </varlistentry>
173
174       <varlistentry>
175         <term>
176           <option>-farrows</option>
177           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
178         </term>
179         <listitem>
180           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
181           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
182
183           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
184           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
185           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
186           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
187
188           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
189           <literal>|)</literal>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term>
195           <option>-fgenerics</option>
196           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
197         </term>
198         <listitem>
199           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
200           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
201         </listitem>
202       </varlistentry>
203
204       <varlistentry>
205         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
206         <listitem>
207           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
208           option</primary></indexterm> GHC normally imports
209           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
210           rather it didn't, then give it a
211           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
212           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
213           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
214           namespace is flat, and you must not conflict with any
215           Prelude module.)</para>
216
217           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
218           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
219           Prelude types and values, as specified by the Haskell
220           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
221           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
222           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
223           translation for list comprehensions continues to use
224           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
225
226           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
227           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
228           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
229         </listitem>
230       </varlistentry>
231
232       <varlistentry>
233         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
234         <listitem>
235           <para>Enables implicit parameters (see <xref
236           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
237           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
238
239           <para>Syntax stolen:
240           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
241           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
242         </listitem>
243       </varlistentry>
244
245       <varlistentry>
246         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
247         <listitem>
248           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
249           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
250           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
251         </listitem>
252       </varlistentry>
253
254       <varlistentry>
255         <term><option>-fth</option></term>
256         <listitem>
257           <para>Enables Template Haskell (see <xref
258           linkend="template-haskell"/>).  This flag must
259           be given explicitly; it is no longer implied by
260           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
261
262           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
263           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
264           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
265           <literal>$(</literal>,
266           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
267         </listitem>
268       </varlistentry>
269
270     </variablelist>
271   </sect1>
272
273 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
274 <!--    included from primitives.sgml  -->
275 <!-- &primitives; -->
276 <sect1 id="primitives">
277   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
278
279 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
280 While you really can use this stuff to write fast code,
281   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
282   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
283   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
284   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
285   about it.</para>
286
287 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
288 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
289 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
290 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
291
292 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
293 work over those types, is held in the file
294 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
295 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
296 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
297
298 <para> Indeed,
299 the result of such processing is part of the description of the 
300  <ulink
301       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
302          Core language</ulink>.
303 So that document is a good place to look for a type-set version.
304 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
305 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
306 we could include the results here in the User Guide.</para>
307
308 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
309   
310 <sect2 id="glasgow-unboxed">
311 <title>Unboxed types
312 </title>
313
314 <para>
315 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
316 </para>
317
318 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
319 that values of that type are represented by a pointer to a heap
320 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
321 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
322 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
323 allocation are involved.
324 </para>
325
326 <para>
327 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
328 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
329 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
330 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
331 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
332 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
333 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
334 know and love&mdash;usually one instruction.
335 </para>
336
337 <para>
338 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
339 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
340 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
341 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
342 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
343 </para>
344
345 <para>
346 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
347 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
348 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
349 a primitive value might be represented by a pointer to a
350 heap-allocated object.  Examples include
351 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
352 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
353 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
354 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
355 represents a primitive value, then it really does point to that value:
356 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
357 other end of the pointer than the primitive value.
358 A numerically-intensive program using unboxed types can
359 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
360 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
361 </para>
362
363 <para>
364 There are some restrictions on the use of primitive types:
365 <itemizedlist>
366 <listitem><para>The main restriction
367 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
368 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
369 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
370 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
371 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
372 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
373 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
374 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
375 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
376 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
377 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
378 </para>
379 </listitem>
380 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
381 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
382 </para></listitem>
383 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
384 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
385 </para></listitem>
386 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
387 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
388 pattern-match
389 to become strict.  For example:
390 <programlisting>
391   data Foo = Foo Int Int#
392
393   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
394 </programlisting>
395 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
396 match
397 is strict, and the program behaves as if you had written
398 <programlisting>
399   data Foo = Foo Int Int#
400
401   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
402 </programlisting>
403 </para>
404 </listitem>
405 </itemizedlist>
406 </para>
407
408 </sect2>
409
410 <sect2 id="unboxed-tuples">
411 <title>Unboxed Tuples
412 </title>
413
414 <para>
415 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
416 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
417 unboxed tuple looks like this:
418 </para>
419
420 <para>
421
422 <programlisting>
423 (# e_1, ..., e_n #)
424 </programlisting>
425
426 </para>
427
428 <para>
429 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
430 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
431 the same.
432 </para>
433
434 <para>
435 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
436 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
437 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
438 components are put directly into registers or on the stack; the
439 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
440 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
441 tuples.
442 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
443 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
444 </para>
445
446 <para>
447 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
448 <itemizedlist>
449 <listitem>
450
451 <para>
452 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
453 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
454 structures or passed to polymorphic functions.
455
456 </para>
457 </listitem>
458 <listitem>
459
460 <para>
461 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
462 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
463
464
465 <programlisting>
466   data Foo = Foo (# Int, Int #)
467
468   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
469   f x = x
470
471   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
472   g (# a,b #) = a
473
474   h x = let y = (# x,x #) in ...
475 </programlisting>
476 </para>
477 </listitem>
478 </itemizedlist>
479 </para>
480 <para>
481 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
482 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
483 <programlisting>
484   f x y = (# x+1, y-1 #)
485   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
486 </programlisting>
487 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
488 <programlisting>
489   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
490 </programlisting>
491 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
492 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
493 above example desugars like this:
494 <programlisting>
495   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
496             p = fst t
497             q = snd t
498         in ..body..
499 </programlisting>
500 Indeed, the bindings can even be recursive.
501 </para>
502
503 </sect2>
504 </sect1>
505
506
507 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
508
509 <sect1 id="syntax-extns">
510 <title>Syntactic extensions</title>
511  
512     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
513
514     <sect2 id="hierarchical-modules">
515       <title>Hierarchical Modules</title>
516
517       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
518       names: a module name is allowed to contain a dot
519       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
520       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
521       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
522       more flexible hierarchy of modules.</para>
523
524       <para>This extension has very little impact on the language
525       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
526       qualified, so you can just think of the fully qualified module
527       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
528       means that the full module name must be given after the
529       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
530       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
531       begin</para>
532
533 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
534
535
536       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
537       keyword to save some typing when using qualified names with
538       hierarchical modules.  For example:</para>
539
540 <programlisting>
541 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
542 </programlisting>
543
544       <para>For details on how GHC searches for source and interface
545       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
546       linkend="search-path"/>.</para>
547
548       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
549       hierarchically; see the accompanying library documentation.
550       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
551       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
552       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
553       current status of that project.  For more details, see <ulink
554       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
555       Libraries</ulink>.</para>
556
557     </sect2>
558
559     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
560
561 <sect2 id="pattern-guards">
562 <title>Pattern guards</title>
563
564 <para>
565 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
566 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ulink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
567 </para>
568
569 <para>
570 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
571 lookup operation:
572
573 <programlisting>
574 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
575 </programlisting>
576
577 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
578 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
579 </para>
580
581 <programlisting>
582 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
583 | otherwise  = var1 + var2
584 where
585   m1 = lookup env var1
586   m2 = lookup env var2
587   ok1 = maybeToBool m1
588   ok2 = maybeToBool m2
589   val1 = expectJust m1
590   val2 = expectJust m2
591 </programlisting>
592
593 <para>
594 The auxiliary functions are 
595 </para>
596
597 <programlisting>
598 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
599 maybeToBool (Just x) = True
600 maybeToBool Nothing  = False
601
602 expectJust :: Maybe a -&gt; a
603 expectJust (Just x) = x
604 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
605 </programlisting>
606
607 <para>
608 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
609 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
610 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
611 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
612 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
613 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
614 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
615 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
616 </para>
617
618 <para>
619 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
620 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
621 to write clunky would be to use case expressions:
622 </para>
623
624 <programlisting>
625 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
626   Nothing -&gt; fail
627   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
628     Nothing -&gt; fail
629     Just val2 -&gt; val1 + val2
630 where
631   fail = var1 + var2
632 </programlisting>
633
634 <para>
635 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
636 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
637 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
638 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
639 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
640 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
641 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
642 tends to become more and more indented. 
643 </para>
644
645 <para>
646 Here is how I would write clunky:
647 </para>
648
649 <programlisting>
650 clunky env var1 var1
651   | Just val1 &lt;- lookup env var1
652   , Just val2 &lt;- lookup env var2
653   = val1 + val2
654 ...other equations for clunky...
655 </programlisting>
656
657 <para>
658 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
659 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
660 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
661 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
662 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
663 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
664 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
665 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
666 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
667 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
668 </para>
669
670 <para>
671 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
672 with among the pattern guards.  For example:
673 </para>
674
675 <programlisting>
676 f x | [y] &lt;- x
677     , y > 3
678     , Just z &lt;- h y
679     = ...
680 </programlisting>
681
682 <para>
683 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
684 qualifier list has just one element, a boolean expression.
685 </para>
686 </sect2>
687
688     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
689
690 <sect2 id="mdo-notation">
691 <title>The recursive do-notation
692 </title>
693
694 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
695 "A recursive do for Haskell",
696 Levent Erkok, John Launchbury",
697 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
698 </para>
699 <para>
700 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
701 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
702 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
703 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
704 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
705 </para>
706 <para>
707 Here is a simple (yet contrived) example:
708 </para>
709 <programlisting>
710 import Control.Monad.Fix
711
712 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
713                return xs
714 </programlisting>
715 <para>
716 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
717 </para>
718
719 <para>
720 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
721 </para>
722 <programlisting>
723 class Monad m => MonadFix m where
724    mfix :: (a -> m a) -> m a
725 </programlisting>
726 <para>
727 The function <literal>mfix</literal>
728 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
729 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
730 For details, see the above mentioned reference.
731 </para>
732 <para>
733 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
734 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
735 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
736 </para>
737 <para>
738 There are three important points in using the recursive-do notation:
739 <itemizedlist>
740 <listitem><para>
741 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
742 than <literal>do</literal>).
743 </para></listitem>
744
745 <listitem><para>
746 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
747 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
748 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
749 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
750 </para></listitem>
751
752 <listitem><para>
753 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
754 </para></listitem>
755 </itemizedlist>
756 </para>
757
758 <para>
759 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
760 contains up to date information on recursive monadic bindings.
761 </para>
762
763 <para>
764 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
765 of the existing documents) used the name
766 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
767 This name is not supported by GHC.
768 </para>
769
770 </sect2>
771
772
773    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
774
775   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
776     <title>Parallel List Comprehensions</title>
777     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
778     </indexterm>
779     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
780     </indexterm>
781
782     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
783     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
784     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
785     extend this to include the zipWith family.</para>
786
787     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
788     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
789     example, the following zips together two lists:</para>
790
791 <programlisting>
792    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
793 </programlisting>
794
795     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
796     zip, in that the resulting list will have the same length as the
797     shortest branch.</para>
798
799     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
800     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
801
802     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
803
804 <programlisting>
805    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
806        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
807        ... 
808    ] 
809 </programlisting>
810
811     <para>This will be translated to: </para>
812
813 <programlisting>
814    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
815                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
816                                          ... 
817    ] 
818 </programlisting>
819
820     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
821     branches.</para>
822
823   </sect2>
824
825 <sect2 id="rebindable-syntax">
826 <title>Rebindable syntax</title>
827
828
829       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
830       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
831       with a home-grown version, for example.</para>
832
833             <para>You may want to define your own numeric class
834             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
835             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
836             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
837             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
838             the following pieces of built-in syntax to refer to
839             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
840             versions:
841
842             <itemizedlist>
843               <listitem>
844                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
845                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
846                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
847 </para> </listitem>         
848
849       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
850           except that the translation is 
851               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
852 </para> </listitem>         
853
854           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
855               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
856 </para> </listitem>         
857
858           <listitem><para>The subtraction operation, and the
859           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
860               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
861               </para></listitem>
862
863               <listitem>
864                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
865                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
866                 patterns, and expressions.
867               </para></listitem>
868
869               <listitem>
870           <para>"Do" notation is translated using whatever
871               functions <literal>(>>=)</literal>,
872               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
873               are in scope (not the Prelude
874               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
875               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
876
877               <listitem>
878                 <para>Arrow
879                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
880                 uses whatever <literal>arr</literal>,
881                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
882                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
883                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
884                 other constructs, the types of these functions must match the
885                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
886                 to use this, ask!
887               </para></listitem>
888             </itemizedlist>
889 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
890 even if that is a little unexpected. For emample, the 
891 static semantics of the literal <literal>368</literal>
892 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
893 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
894 <programlisting>
895 fromInteger :: Integer -> Integer
896 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
897 fromInteger :: Num a => a -> Integer
898 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
899 </programlisting>
900 </para>
901                 
902              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
903              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
904              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
905              you should be all right.</para>
906
907 </sect2>
908 </sect1>
909
910
911 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
912 <sect1 id="type-extensions">
913 <title>Type system extensions</title>
914
915
916 <sect2>
917 <title>Data types and type synonyms</title>
918
919 <sect3 id="nullary-types">
920 <title>Data types with no constructors</title>
921
922 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
923 a data type with no constructors.  For example:</para>
924
925 <programlisting>
926   data S      -- S :: *
927   data T a    -- T :: * -> *
928 </programlisting>
929
930 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
931 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
932 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
933 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
934
935 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
936 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
937 </sect3>
938
939 <sect3 id="infix-tycons">
940 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
941
942 <para>
943 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
944 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
945 <itemizedlist>
946 <listitem><para>
947   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
948   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
949   </para></listitem>
950 <listitem><para>
951   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
952   if you want further arguments.  E.g.
953 <screen>
954   data a :*: b = Foo a b
955   type a :+: b = Either a b
956   class a :=: b where ...
957
958   data (a :**: b) x = Baz a b x
959   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
960 </screen>
961   </para></listitem>
962 <listitem><para>
963   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
964   <screen>
965         x :: Int :*: Bool
966         f :: (a :=: b) => a -> b
967   </screen>
968   </para></listitem>
969 <listitem><para>
970   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
971   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
972   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
973   parenthesised.  For example:
974 <programlisting>
975    type T (+) = Int + Int
976    f :: T Either
977    f = Left 3
978  
979    liftA2 :: Arrow (~>)
980           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
981    liftA2 = ...
982 </programlisting>
983   </para></listitem>
984 <listitem><para>
985   Back-quotes work
986   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
987   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
988   </para></listitem>
989 <listitem><para>
990   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
991   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
992   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
993 <screen>
994   infixl 7 T, :*:
995 </screen>
996   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
997   and similarly for <literal>:*:</literal>.
998   <literal>Int `a` Bool</literal>.
999   </para></listitem>
1000 <listitem><para>
1001   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1002   </para></listitem>
1003
1004 </itemizedlist>
1005 </para>
1006 </sect3>
1007
1008 <sect3 id="type-synonyms">
1009 <title>Liberalised type synonyms</title>
1010
1011 <para>
1012 Type synonyms are like macros at the type level, and
1013 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1014 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1015 <itemizedlist>
1016 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1017 in a type synonym, thus:
1018 <programlisting>
1019   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1020
1021   f :: Discard a
1022   f x y = (x, show y)
1023
1024   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1025   g f = f 3 True
1026 </programlisting>
1027 </para>
1028 </listitem>
1029
1030 <listitem><para>
1031 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1032 <programlisting>
1033   type Pr = (# Int, Int #)
1034
1035   h :: Int -> Pr
1036   h x = (# x, x #)
1037 </programlisting>
1038 </para></listitem>
1039
1040 <listitem><para>
1041 You can apply a type synonym to a forall type:
1042 <programlisting>
1043   type Foo a = a -> a -> Bool
1044  
1045   f :: Foo (forall b. b->b)
1046 </programlisting>
1047 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1048 <programlisting>
1049   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1050 </programlisting>
1051 </para></listitem>
1052
1053 <listitem><para>
1054 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1055 <programlisting>
1056   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1057   type Id x = x
1058   
1059   foo :: Generic Id []
1060 </programlisting>
1061 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1062 <programlisting>
1063   foo :: forall x. x -> [x]
1064 </programlisting>
1065 </para></listitem>
1066
1067 </itemizedlist>
1068 </para>
1069
1070 <para>
1071 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1072 could be changed.)
1073 </para>
1074 <para>
1075 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1076 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1077 <itemizedlist>
1078 <listitem><para>
1079 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1080 </para></listitem>
1081 <listitem><para>
1082 Unboxed tuple on left of an arrow.
1083 </para></listitem>
1084 <listitem><para>
1085 Partially-applied type synonym.
1086 </para></listitem>
1087 </itemizedlist>
1088 So, for example,
1089 this will be rejected:
1090 <programlisting>
1091   type Pr = (# Int, Int #)
1092
1093   h :: Pr -> Int
1094   h x = ...
1095 </programlisting>
1096 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1097 </para>
1098 </sect3>
1099
1100
1101 <sect3 id="existential-quantification">
1102 <title>Existentially quantified data constructors
1103 </title>
1104
1105 <para>
1106 The idea of using existential quantification in data type declarations
1107 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1108 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1109 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1110 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1111 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1112 It's been in Lennart
1113 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1114 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1115 </para>
1116
1117 <para>
1118
1119 <programlisting>
1120   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1121            | Nil
1122 </programlisting>
1123
1124 </para>
1125
1126 <para>
1127 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1128 </para>
1129
1130 <para>
1131
1132 <programlisting>
1133   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1134   Nil   :: Foo
1135 </programlisting>
1136
1137 </para>
1138
1139 <para>
1140 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1141 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1142 For example, the following expression is fine:
1143 </para>
1144
1145 <para>
1146
1147 <programlisting>
1148   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1149 </programlisting>
1150
1151 </para>
1152
1153 <para>
1154 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1155 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1156 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1157 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1158 </para>
1159
1160 <para>
1161 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1162 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1163 </para>
1164
1165 <para>
1166
1167 <programlisting>
1168   f (MkFoo val fn) = ???
1169 </programlisting>
1170
1171 </para>
1172
1173 <para>
1174 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1175 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1176 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1177 </para>
1178
1179 <para>
1180
1181 <programlisting>
1182   f :: Foo -> Bool
1183   f (MkFoo val fn) = fn val
1184 </programlisting>
1185
1186 </para>
1187
1188 <para>
1189 What this allows us to do is to package heterogenous values
1190 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1191 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1192 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1193 </para>
1194
1195 <sect4 id="existential">
1196 <title>Why existential?
1197 </title>
1198
1199 <para>
1200 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1201 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1202 </para>
1203
1204 <para>
1205
1206 <programlisting>
1207   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1208 </programlisting>
1209
1210 </para>
1211
1212 <para>
1213 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1214 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1215 adding a new existential quantification construct.
1216 </para>
1217
1218 </sect4>
1219
1220 <sect4>
1221 <title>Type classes</title>
1222
1223 <para>
1224 An easy extension is to allow
1225 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1226 </para>
1227
1228 <para>
1229
1230 <programlisting>
1231 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1232          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1233 </programlisting>
1234
1235 </para>
1236
1237 <para>
1238 The two constructors have the types you'd expect:
1239 </para>
1240
1241 <para>
1242
1243 <programlisting>
1244 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1245 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1246 </programlisting>
1247
1248 </para>
1249
1250 <para>
1251 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1252 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1253 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1254 So this program is legal:
1255 </para>
1256
1257 <para>
1258
1259 <programlisting>
1260   f :: Baz -> String
1261   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1262                | otherwise = "No"
1263   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1264 </programlisting>
1265
1266 </para>
1267
1268 <para>
1269 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1270 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1271 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1272 extract it on pattern matching.
1273 </para>
1274
1275 <para>
1276 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1277 universal quantification earlier.
1278 </para>
1279
1280 </sect4>
1281
1282 <sect4>
1283 <title>Record Constructors</title>
1284
1285 <para>
1286 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1287
1288 <programlisting>
1289 data Counter a = forall self. NewCounter
1290     { _this    :: self
1291     , _inc     :: self -> self
1292     , _display :: self -> IO ()
1293     , tag      :: a
1294     }
1295 </programlisting>
1296 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1297 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1298 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1299 <literal>_inc</literal> or <literal>_output</literal> as functions will raise a
1300 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1301 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1302 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1303 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1304 </para>
1305
1306 <para>
1307 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1308
1309 <programlisting>
1310 inc :: Counter a -> Counter a
1311 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1312     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1313
1314 display :: Counter a -> IO ()
1315 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1316 </programlisting>
1317
1318 Now we can define counters with different underlying implementations:
1319
1320 <programlisting>
1321 counterA :: Counter String 
1322 counterA = NewCounter
1323     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1324
1325 counterB :: Counter String 
1326 counterB = NewCounter
1327     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1328
1329 main = do
1330     display (inc counterA)         -- prints "1"
1331     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1332 </programlisting>
1333
1334 In GADT declarations (see <xref linkend="gadt"/>), the explicit
1335 <literal>forall</literal> may be omitted.  For example, we can express
1336 the same <literal>Counter a</literal> using GADT:
1337
1338 <programlisting>
1339 data Counter a where
1340     NewCounter { _this    :: self
1341                , _inc     :: self -> self
1342                , _display :: self -> IO ()
1343                , tag      :: a
1344                }
1345         :: Counter a
1346 </programlisting>
1347
1348 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1349 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1350
1351 <programlisting>
1352 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1353 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1354 setTag obj t = obj{ tag = t }
1355 </programlisting>
1356
1357 </para>
1358
1359 </sect4>
1360
1361
1362 <sect4>
1363 <title>Restrictions</title>
1364
1365 <para>
1366 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1367 constructors can be use.
1368 </para>
1369
1370 <para>
1371
1372 <itemizedlist>
1373 <listitem>
1374
1375 <para>
1376  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1377 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1378 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1379 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1380
1381
1382 <programlisting>
1383 f1 (MkFoo a f) = a
1384 </programlisting>
1385
1386
1387 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1388 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1389 ask what type <function>f1</function> has:
1390
1391
1392 <programlisting>
1393   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1394 </programlisting>
1395
1396
1397 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1398 this:
1399
1400
1401 <programlisting>
1402   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1403 </programlisting>
1404
1405
1406 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1407
1408
1409 <programlisting>
1410   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1411 </programlisting>
1412
1413
1414 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1415 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1416 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1417
1418
1419 </para>
1420 </listitem>
1421 <listitem>
1422
1423 <para>
1424 You can't pattern-match on an existentially quantified
1425 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1426 bindings. So this is illegal:
1427
1428
1429 <programlisting>
1430   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1431 </programlisting>
1432
1433 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1434
1435 <programlisting>
1436   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1437 </programlisting>
1438
1439 In general, you can only pattern-match
1440 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1441 in the patterns of a function definition.
1442
1443 The reason for this restriction is really an implementation one.
1444 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1445 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1446 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1447 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1448 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1449 annoying it is.
1450
1451 </para>
1452 </listitem>
1453 <listitem>
1454
1455 <para>
1456 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1457 declarations.  So this is illegal:
1458
1459
1460 <programlisting>
1461   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1462 </programlisting>
1463
1464
1465 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1466 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1467 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1468 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1469 You can get just the same efficiency and effect by using
1470 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1471 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1472 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1473 because the <literal>data</literal> version does carry an
1474 implementation cost, but single-field existentially quantified
1475 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1476 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1477 are convincing reasons to change it.
1478
1479
1480 </para>
1481 </listitem>
1482 <listitem>
1483
1484 <para>
1485  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1486 data type with existentially quantified data constructors.
1487
1488 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1489
1490 <programlisting>
1491 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1492 </programlisting>
1493
1494 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1495 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1496
1497 <programlisting>
1498 instance Eq T where
1499   (MkT a) == (MkT b) = ???
1500 </programlisting>
1501
1502 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1503 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1504 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1505 declarations.  Define your own instances!
1506 </para>
1507 </listitem>
1508
1509 </itemizedlist>
1510
1511 </para>
1512
1513 </sect4>
1514 </sect3>
1515
1516 </sect2>
1517
1518
1519
1520 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1521 <title>Class declarations</title>
1522
1523 <para>
1524 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
1525 There's lots of background in the paper <ulink
1526 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1527 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1528 Jones, Erik Meijer).
1529 </para>
1530 <para>
1531 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
1532 </para>
1533
1534 <sect3>
1535 <title>Multi-parameter type classes</title>
1536 <para>
1537 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
1538
1539
1540 <programlisting>
1541   class Collection c a where
1542     union :: c a -> c a -> c a
1543     ...etc.
1544 </programlisting>
1545
1546 </para>
1547 </sect3>
1548
1549 <sect3>
1550 <title>The superclasses of a class declaration</title>
1551
1552 <para>
1553 There are no restrictions on the context in a class declaration
1554 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1555 be acyclic.  So these class declarations are OK:
1556
1557
1558 <programlisting>
1559   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1560     ...
1561
1562   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1563     lift :: m a -> (t m) a
1564 </programlisting>
1565
1566
1567 </para>
1568 <para>
1569 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
1570 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1571 this is OK:
1572
1573
1574 <programlisting>
1575   class C a where {
1576     op :: D b => a -> b -> b
1577   }
1578
1579   class C a => D a where { ... }
1580 </programlisting>
1581
1582
1583 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1584 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1585 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1586 </para>
1587 </sect3>
1588
1589
1590
1591
1592 <sect3 id="class-method-types">
1593 <title>Class method types</title>
1594
1595 <para>
1596 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1597 class type variable, thus:
1598 <programlisting>
1599   class Seq s a where
1600     fromList :: [a] -> s a
1601     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1602 </programlisting>
1603 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1604 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1605 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1606 GHC lifts this restriction.
1607 </para>
1608
1609
1610 </sect3>
1611 </sect2>
1612
1613 <sect2 id="functional-dependencies">
1614 <title>Functional dependencies
1615 </title>
1616
1617 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1618 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1619 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1620 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1621 .
1622 </para>
1623 <para>
1624 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1625 class declaration;  e.g. 
1626 <programlisting>
1627   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1628
1629   class Foo a b c | a b -> c where ...
1630 </programlisting>
1631 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1632 </para>
1633
1634 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
1635 <para>
1636 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
1637 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1638 from the free variables of each method type.
1639 For example:
1640
1641 <programlisting>
1642   class Coll s a where
1643     empty  :: s
1644     insert :: s -> a -> s
1645 </programlisting>
1646
1647 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1648 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
1649 reachable:
1650 <programlisting>
1651   class Coll s a | s -> a where
1652     empty  :: s
1653     insert :: s -> a -> s
1654 </programlisting>
1655
1656 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
1657
1658 <programlisting>
1659   class Coll s a where
1660     empty  :: s a
1661     insert :: s a -> a -> s a
1662 </programlisting>
1663
1664
1665 which makes the connection between the type of a collection of
1666 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1667 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1668 class like this:
1669
1670
1671 <programlisting>
1672   class CollE s where
1673     empty  :: s
1674
1675   class CollE s => Coll s a where
1676     insert :: s -> a -> s
1677 </programlisting>
1678 </para>
1679 </sect3>
1680
1681
1682 <sect3>
1683 <title>Background on functional dependencies</title>
1684
1685 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
1686 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
1687 permission of Mark Jones.
1688 </para>
1689 <para> 
1690 Consider the following class, intended as part of a
1691 library for collection types:
1692 <programlisting>
1693    class Collects e ce where
1694        empty  :: ce
1695        insert :: e -> ce -> ce
1696        member :: e -> ce -> Bool
1697 </programlisting>
1698 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
1699 of the container itself. Within this framework, we might want to define
1700 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
1701 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
1702 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
1703 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
1704 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
1705 <programlisting>
1706    instance Eq e => Collects e [e] where ...
1707    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
1708    instance Collects Char BitSet where ...
1709    instance (Hashable e, Collects a ce)
1710               => Collects e (Array Int ce) where ...
1711 </programlisting>
1712 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
1713 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
1714 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
1715 <programlisting>
1716    empty :: Collects e ce => ce
1717 </programlisting>
1718 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
1719 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
1720 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
1721 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
1722 type.
1723 </para>
1724 <para>
1725 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
1726 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
1727 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
1728 them. For example, consider the following two functions: 
1729 <programlisting>
1730    f x y = insert x . insert y
1731    g     = f True 'a'
1732 </programlisting>
1733 for which GHC infers the following types: 
1734 <programlisting>
1735    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1736    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
1737 </programlisting>
1738 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
1739 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
1740 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
1741 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
1742 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
1743 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
1744 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
1745 might even be in a different module.
1746 </para>
1747
1748 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
1749
1750 <para>
1751 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
1752 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
1753 <programlisting>
1754    class Collects e c where
1755       empty  :: c e
1756       insert :: e -> c e -> c e
1757       member :: e -> c e -> Bool
1758 </programlisting>
1759 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
1760 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
1761 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
1762 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
1763 e</literal>, which is not ambiguous. 
1764 </para>
1765 <para>
1766 The function f from the previous section has a more accurate type: 
1767 <programlisting>
1768    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
1769 </programlisting>
1770 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
1771 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
1772 different types. 
1773 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
1774 quite well in practice, without ambiguity problems.
1775 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
1776 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
1777 for <literal>Collects</literal>
1778 given above can be used with this version of Collects because only one of
1779 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
1780 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
1781 </para>
1782 </sect4>
1783
1784 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
1785
1786 <para>
1787 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
1788 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
1789 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
1790 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
1791 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
1792 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
1793 later framework for "improvement" of qualified types. The
1794 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
1795 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
1796 general design space for systems of implicit parameterization.).
1797
1798 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
1799 <programlisting>
1800    class C a b where ...
1801 </programlisting>
1802 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
1803 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
1804 included in the definition of classes to add information about dependencies
1805 between parameters, as in the following examples: 
1806 <programlisting>
1807    class D a b | a -> b where ...
1808    class E a b | a -> b, b -> a where ...
1809 </programlisting>
1810 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
1811 symbols --- not to be
1812 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
1813 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
1814 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
1815 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
1816 represents a (partial) one-one mapping between types.
1817 </para>
1818 <para>
1819 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
1820 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
1821 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
1822 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
1823 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
1824 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
1825 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
1826 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
1827 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
1828 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
1829 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
1830 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
1831 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
1832 <literal>a-&gt;b</literal>, 
1833  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
1834 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
1835 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
1836 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
1837 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
1838 unchanged.
1839 </para>
1840 <para>
1841 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
1842 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
1843 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
1844 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
1845 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
1846 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
1847 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
1848 <programlisting>
1849    instance D Bool Int where ...
1850    instance D Bool Char where ...
1851 </programlisting>
1852 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
1853 <programlisting>
1854    instance D [a] b where ...
1855 </programlisting>
1856 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
1857 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
1858 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
1859 in any instance of the form: 
1860 <programlisting>
1861    instance D t s where ...
1862 </programlisting>
1863 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
1864 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
1865 uniquely determined.
1866 </para>
1867 <para>
1868 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
1869 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
1870 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
1871 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
1872 with a simple dependency: 
1873 <programlisting>
1874    class Collects e ce | ce -> e where
1875       empty  :: ce
1876       insert :: e -> ce -> ce
1877       member :: e -> ce -> Bool
1878 </programlisting>
1879 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
1880 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
1881 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
1882 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
1883 together with this new definition.
1884 </para>
1885 <para>
1886 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
1887 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
1888 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
1889 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
1890 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
1891 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
1892 give enough information to determine types for both ce and e, without
1893 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
1894 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
1895 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
1896 </para>
1897 <para>
1898 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
1899 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
1900 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
1901 function f: 
1902 <programlisting>
1903    f x y = insert x y = insert x . insert y
1904 </programlisting>
1905 for which we originally obtained a type: 
1906 <programlisting>
1907    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1908 </programlisting>
1909 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
1910 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
1911 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
1912 can infer a shorter and more accurate type for f: 
1913 <programlisting>
1914    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
1915 </programlisting>
1916 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
1917 </para>
1918 <para>
1919 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
1920 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
1921 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
1922 sets of instance declarations.
1923 </para>
1924 </sect4>
1925 </sect3>
1926 </sect2>
1927
1928 <sect2 id="instance-decls">
1929 <title>Instance declarations</title>
1930
1931 <sect3 id="instance-rules">
1932 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
1933
1934 <para>An instance declaration has the form
1935 <screen>
1936   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 ...
1937 </screen>
1938 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
1939 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
1940 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
1941 </para>
1942
1943 <para>
1944 In Haskell 98 the head of an instance declaration
1945 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
1946 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
1947 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
1948 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration
1949 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
1950 is a type variable that occurs in the head.
1951 </para>
1952 <para>
1953 The <option>-fglasgow-exts</option> flag loosens these restrictions
1954 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
1955 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
1956 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
1957 following rules:
1958 <orderedlist>
1959 <listitem><para>
1960 For each assertion in the context:
1961 <orderedlist>
1962 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
1963 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
1964       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
1965 </orderedlist>
1966 </para></listitem>
1967
1968 <listitem><para>The coverage condition.  For each functional dependency,
1969 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
1970 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
1971 every type variable in
1972 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
1973 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
1974 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
1975 corresponding type in the instance declaration.
1976 </para></listitem>
1977 </orderedlist>
1978 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
1979 step makes the problem smaller by at least one
1980 constructor.  For example, the following would make the type checker
1981 loop if it wasn't excluded:
1982 <programlisting>
1983   instance C a => C a where ...
1984 </programlisting>
1985 For example, these are OK:
1986 <programlisting>
1987   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
1988   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
1989
1990       -- Repeated type variable in head
1991   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
1992   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
1993
1994       -- Head can consist of type variables only
1995   instance C a
1996   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
1997
1998       -- Non-type variables in context
1999   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
2000   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
2001   instance C2 Int a => C3 [a] b
2002 </programlisting>
2003 But these are not:
2004 <programlisting>
2005       -- Context assertion no smaller than head
2006   instance C a => C a where ...
2007       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
2008   instance C b b => Foo [b] where ...
2009 </programlisting>
2010 </para>
2011
2012 <para>
2013 The same restrictions apply to instances generated by
2014 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
2015 <programlisting>
2016   data MinHeap h a = H a (h a)
2017     deriving (Show)
2018 </programlisting>
2019 because the derived instance
2020 <programlisting>
2021   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
2022 </programlisting>
2023 conforms to the above rules.
2024 </para>
2025
2026 <para>
2027 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
2028 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
2029 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
2030 something more specific does not:
2031 <programlisting>
2032   instance C a where
2033     op = ... -- Default
2034 </programlisting>
2035 </para>
2036 <para>You can find lots of background material about the reason for these
2037 restrictions in the paper <ulink
2038 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
2039 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
2040 </para>
2041 </sect3>
2042
2043 <sect3 id="undecidable-instances">
2044 <title>Undecidable instances</title>
2045
2046 <para>
2047 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
2048 For example, sometimes you might want to use the following to get the
2049 effect of a "class synonym":
2050 <programlisting>
2051   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2052
2053   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2054 </programlisting>
2055 This allows you to write shorter signatures:
2056 <programlisting>
2057   f :: C a => ...
2058 </programlisting>
2059 instead of
2060 <programlisting>
2061   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
2062 </programlisting>
2063 The restrictions on functional dependencies (<xref
2064 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
2065 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
2066 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
2067 <programlisting>
2068   class HasConverter a b | a -> b where
2069      convert :: a -> b
2070    
2071   data Foo a = MkFoo a
2072
2073   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
2074      show (MkFoo value) = show (convert value)
2075 </programlisting>
2076 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
2077 typechecker loop:
2078 <programlisting>
2079   class D a
2080   class F a b | a->b
2081   instance F [a] [[a]]
2082   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
2083 </programlisting>  
2084 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
2085 <programlisting>
2086   class Mul a b c | a b -> c where
2087         (.*.) :: a -> b -> c
2088
2089   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
2090   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
2091   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
2092 </programlisting>
2093 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
2094 and indeed the (somewhat strange) definition:
2095 <programlisting>
2096   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
2097 </programlisting>
2098 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
2099 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
2100 </para>
2101 <para>
2102 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
2103 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
2104 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
2105 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
2106 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
2107 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
2108 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
2109 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
2110 </para>
2111
2112 </sect3>
2113
2114
2115 <sect3 id="instance-overlap">
2116 <title>Overlapping instances</title>
2117 <para>
2118 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
2119 declaration
2120 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
2121 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
2122 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
2123 </primary></indexterm> 
2124 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
2125 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
2126 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
2127 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
2128 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
2129 <para>
2130 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
2131 it tries to match every instance declaration against the
2132 constraint,
2133 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
2134 these declarations:
2135 <programlisting>
2136   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
2137   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
2138   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
2139   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
2140 </programlisting>
2141 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
2142 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
2143 no account of the context of the instance declaration
2144 (<literal>context1</literal> etc).
2145 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
2146 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
2147 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
2148 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
2149 particular constraint matches more than one.
2150 </para>
2151
2152 <para>
2153 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
2154 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
2155 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
2156 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
2157 most-specific match, the program is rejected.
2158 </para>
2159 <para>
2160 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
2161 <programlisting>
2162   f :: [b] -> [b]
2163   f x = ...
2164 </programlisting>
2165 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
2166 <literal>C Int [b]</literal>.  But
2167 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
2168 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
2169 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
2170 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
2171 GHC will instead pick (C), without complaining about 
2172 the problem of subsequent instantiations.
2173 </para>
2174 <para>
2175 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
2176 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
2177 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
2178 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
2179 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
2180 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
2181 <itemizedlist>
2182 <listitem><para>
2183 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
2184 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
2185 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
2186 more-specific instance does not matter.
2187 </para></listitem>
2188 <listitem><para>
2189 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
2190 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
2191 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
2192 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
2193 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
2194 check for that declaration.
2195 </para></listitem>
2196 </itemizedlist>
2197 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
2198 overlapping instances without the library client having to know.  
2199 </para>
2200 <para>
2201 If an instance declaration is compiled without
2202 <option>-fallow-overlapping-instances</option>,
2203 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
2204 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
2205 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
2206 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
2207 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
2208 are compiled, if the <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag is
2209 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
2210 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
2211 </para>
2212 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
2213 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
2214 </para>
2215 </sect3>
2216
2217 <sect3>
2218 <title>Type synonyms in the instance head</title>
2219
2220 <para>
2221 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
2222 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
2223 As always, using a type synonym is just shorthand for
2224 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
2225
2226
2227 <programlisting>
2228   type Point = (Int,Int)
2229   instance C Point   where ...
2230   instance C [Point] where ...
2231 </programlisting>
2232
2233
2234 is legal.  However, if you added
2235
2236
2237 <programlisting>
2238   instance C (Int,Int) where ...
2239 </programlisting>
2240
2241
2242 as well, then the compiler will complain about the overlapping
2243 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
2244 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
2245
2246
2247 <programlisting>
2248   type P a = [[a]]
2249   instance Monad P where ...
2250 </programlisting>
2251
2252
2253 This design decision is independent of all the others, and easily
2254 reversed, but it makes sense to me.
2255
2256 </para>
2257 </sect3>
2258
2259
2260 </sect2>
2261
2262 <sect2 id="type-restrictions">
2263 <title>Type signatures</title>
2264
2265 <sect3><title>The context of a type signature</title>
2266 <para>
2267 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
2268 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
2269 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
2270 these type signatures are perfectly OK
2271 <programlisting>
2272   g :: Eq [a] => ...
2273   g :: Ord (T a ()) => ...
2274 </programlisting>
2275 </para>
2276 <para>
2277 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
2278 Consider the type:
2279
2280 <programlisting>
2281   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
2282 </programlisting>
2283
2284 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
2285 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
2286 explicit source-language type signature are universally quantified,
2287 except for the class type variables in a class declaration.  However,
2288 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
2289 </para>
2290
2291 <para>
2292
2293 <orderedlist>
2294 <listitem>
2295
2296 <para>
2297  <emphasis>Each universally quantified type variable
2298 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
2299
2300 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
2301 in the same constraint as either a type variable free in in
2302 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
2303 A value with a type that does not obey 
2304 this reachability restriction cannot be used without introducing
2305 ambiguity; that is why the type is rejected.
2306 Here, for example, is an illegal type:
2307
2308
2309 <programlisting>
2310   forall a. Eq a => Int
2311 </programlisting>
2312
2313
2314 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
2315 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
2316 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
2317 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
2318 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
2319 get any more information about <literal>tv</literal>.
2320 </para>
2321 <para>
2322 Note
2323 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
2324 functionally dependent on a type variable free in
2325 <literal>type</literal> (see <xref
2326 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
2327 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
2328 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
2329 For example, consider:
2330 <programlisting>
2331   class C a b | a -> b where ...
2332   class C a b => D a b where ...
2333   f :: forall a b. D a b => a -> a
2334 </programlisting>
2335 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2336 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2337 </para>
2338 </listitem>
2339 <listitem>
2340
2341 <para>
2342  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2343 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2344
2345 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2346 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2347
2348
2349 <programlisting>
2350   forall a. C a b => burble
2351 </programlisting>
2352
2353
2354 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2355 mention <literal>a</literal>:
2356
2357
2358 <programlisting>
2359   forall a. Eq b => burble
2360 </programlisting>
2361
2362
2363 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2364 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2365 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2366 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2367 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2368 territory free in case we need it later.
2369
2370 </para>
2371 </listitem>
2372
2373 </orderedlist>
2374
2375 </para>
2376 </sect3>
2377
2378 <sect3 id="hoist">
2379 <title>For-all hoisting</title>
2380 <para>
2381 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
2382 end of an arrow, thus:
2383 <programlisting>
2384   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2385
2386   g :: Int -> Discard Int
2387   g x y z = x+y
2388 </programlisting>
2389 Simply expanding the type synonym would give
2390 <programlisting>
2391   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2392 </programlisting>
2393 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2394 <programlisting>
2395   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2396 </programlisting>
2397 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2398 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2399 performs the transformation:</emphasis>
2400 <programlisting>
2401   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2402 ==>
2403   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2404 </programlisting>
2405 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2406 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2407 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2408 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2409 <programlisting>
2410   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2411 </programlisting>
2412 </para>
2413 <para>
2414 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2415 example:
2416 <programlisting>
2417   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2418   g :: Foo (Foo Int)
2419 </programlisting>
2420 means
2421 <programlisting>
2422   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2423 </programlisting>
2424 </para>
2425 </sect3>
2426
2427
2428 </sect2>
2429
2430 <sect2 id="implicit-parameters">
2431 <title>Implicit parameters</title>
2432
2433 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2434 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2435 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2436 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2437 Boston, Jan 2000.
2438 </para>
2439
2440 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2441 due to Jeff Lewis.)</para>
2442
2443 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2444 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2445
2446 <para>
2447 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2448 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2449 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2450 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2451 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2452 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2453 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2454 only support static scoping of variables.
2455 </para>
2456 <para>
2457 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2458 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2459 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2460 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2461 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2462 of type <literal>t'</literal>". For
2463 example, the following expresses the type of a sort function,
2464 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2465 <programlisting>
2466   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2467 </programlisting>
2468 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2469 </para>
2470 <para>
2471 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2472 where <literal>x</literal> is
2473 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2474 Use of this construct also introduces a new
2475 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2476 For example, the following definition
2477 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2478 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2479 <programlisting>
2480   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2481
2482   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2483   sort    = sortBy ?cmp
2484 </programlisting>
2485 </para>
2486
2487 <sect3>
2488 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2489 <para>
2490 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2491 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2492 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2493 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2494 to pick out the least value in a list:
2495 <programlisting>
2496   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2497   least xs = head (sort xs)
2498 </programlisting>
2499 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2500 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2501 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2502 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2503 propagate them.
2504 </para>
2505 <para>
2506 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2507 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2508 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2509 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2510 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2511 class constraints.
2512 </para>
2513
2514 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2515 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2516 <programlisting>
2517   class (?x::Int) => C a where ...
2518   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2519 </programlisting>
2520 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2521 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2522 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2523 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2524 <para>
2525 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2526 <programlisting>
2527    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2528    f n = n + length ?x
2529
2530    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2531    g s = show (read s)
2532 </programlisting>
2533 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2534 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2535 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2536 </para>
2537 </sect3>
2538
2539 <sect3>
2540 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2541
2542 <para>
2543 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2544 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2545 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2546 <literal>cmp</literal>.
2547 <programlisting>
2548   min :: [a] -> a
2549   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2550 </programlisting>
2551 </para>
2552 <para>
2553 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2554 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2555 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2556 or a <literal>where</literal> clause.
2557 Note the following points:
2558 <itemizedlist>
2559 <listitem><para>
2560 An implicit-parameter binding group must be a
2561 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2562 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2563 neither polymorphic or recursive.  
2564 </para></listitem>
2565 <listitem><para>
2566 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2567 single <literal>let</literal>
2568 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2569 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2570 </para></listitem>
2571
2572 <listitem><para>
2573 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2574 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2575 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2576 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2577 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2578 the meaning of the program.
2579 For example, consider:
2580 <programlisting>
2581   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2582 </programlisting>
2583 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2584 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2585 <programlisting>
2586   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2587 </programlisting>
2588 </para></listitem>
2589 </itemizedlist>
2590 </para>
2591
2592 </sect3>
2593
2594 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2595
2596 <para>
2597 Consider these two definitions:
2598 <programlisting>
2599   len1 :: [a] -> Int
2600   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2601
2602   len_acc1 [] = ?acc
2603   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2604
2605   ------------
2606
2607   len2 :: [a] -> Int
2608   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2609
2610   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2611   len_acc2 [] = ?acc
2612   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2613 </programlisting>
2614 The only difference between the two groups is that in the second group
2615 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2616 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2617 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2618 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2619 has a type signature, the recursive call is made to the
2620 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2621 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2622 <programlisting>
2623   Prog> len1 "hello"
2624   0
2625   Prog> len2 "hello"
2626   5
2627 </programlisting>
2628 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2629 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2630 </para>
2631 </sect3>
2632
2633 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2634
2635 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2636 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2637 <programlisting>
2638  f :: Int -> Int
2639   f v = let ?x = 0     in
2640         let y = ?x + v in
2641         let ?x = 5     in
2642         y
2643 </programlisting>
2644 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2645 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2646 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2647 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2648 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2649 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2650 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2651 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2652 <literal>14</literal>.
2653 </para>
2654 </sect3>
2655 </sect2>
2656
2657     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
2658
2659     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
2660     them from the 6.6 user manual
2661
2662 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2663 <title>Linear implicit parameters</title>
2664 <para>
2665 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2666 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2667 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2668 </para>
2669 <itemizedlist>
2670 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2671 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2672 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2673 </itemizedlist>
2674
2675 <para>
2676 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2677 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
2678 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2679 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2680 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2681 </para>
2682 <para>
2683 For example:
2684 <programlisting>
2685     import GHC.Exts( Splittable )
2686
2687     data NameSupply = ...
2688     
2689     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2690     newName :: NameSupply -> Name
2691
2692     instance Splittable NameSupply where
2693         split = splitNS
2694
2695
2696     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2697     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2698                     where
2699                       x'   = newName %ns
2700                       env' = extend env x x'
2701     ...more equations for f...
2702 </programlisting>
2703 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2704 <itemizedlist>
2705 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2706 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2707 </itemizedlist>
2708 </para>
2709 <para>
2710 So the translation done by the type checker makes
2711 the parameter explicit:
2712 <programlisting>
2713     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2714     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2715                        where
2716                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2717                          x' = newName ns2
2718                          env = extend env x x'
2719 </programlisting>
2720 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2721 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2722 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2723 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2724 <programlisting>
2725         class Splittable a where
2726           split :: a -> (a,a)
2727 </programlisting>
2728 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2729 split for name supplies.  But we can simply write
2730 <programlisting>
2731         g x = (x, %ns, %ns)
2732 </programlisting>
2733 and GHC will infer
2734 <programlisting>
2735         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2736 </programlisting>
2737 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2738 <literal>GHC.Exts</literal>.
2739 </para>
2740 <para>
2741 Other points:
2742 <itemizedlist>
2743 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2744 are entirely distinct implicit parameters: you 
2745   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2746 </listitem>
2747
2748 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2749
2750 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2751   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2752 </itemizedlist>
2753 </para>
2754
2755 <sect3><title>Warnings</title>
2756
2757 <para>
2758 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2759 Consider the example above:
2760 <programlisting>
2761     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2762     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2763                     where
2764                       x'   = newName %ns
2765                       env' = extend env x x'
2766 </programlisting>
2767 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2768 usually a harmless thing to do, we get:
2769 <programlisting>
2770     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2771     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2772                     where
2773                       env' = extend env x (newName %ns)
2774 </programlisting>
2775 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2776 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2777 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2778 the beta rule.
2779 </para>
2780 <para>
2781 Well, this is an experimental change.  With implicit
2782 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2783 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2784 Haskell programs without knowing their typing.
2785 </para>
2786
2787 </sect3>
2788
2789 <sect3><title>Recursive functions</title>
2790 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2791 Consider
2792 <programlisting>
2793         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2794         foo 0 = []
2795         foo n = %x : foo (n-1)
2796 </programlisting>
2797 where T is some type in class Splittable.</para>
2798 <para>
2799 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2800 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2801 </para><para>
2802 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2803 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2804 translated term, where the implicit param is made explicit:
2805 <programlisting>
2806         foo x 0 = []
2807         foo x n = let (x1,x2) = split x
2808                   in x1 : foo x2 (n-1)
2809 </programlisting>
2810 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2811 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2812 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2813 work.  So the translation becomes
2814 <programlisting>
2815         foo x = let
2816                   foom 0 = []
2817                   foom n = x : foom (n-1)
2818                 in
2819                 foom
2820 </programlisting>
2821 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2822 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2823 Yikes!
2824 </para><para>
2825 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2826 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2827 </para>
2828 </sect3>
2829
2830 </sect2>
2831
2832 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
2833
2834 <sect2 id="sec-kinding">
2835 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2836
2837 <para>
2838 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2839 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2840 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2841 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2842 John Hughes had to define the data type:
2843 <screen>
2844      data Set cxt a = Set [a]
2845                     | Unused (cxt a -> ())
2846 </screen>
2847 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2848 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2849 </para>
2850 <para>
2851 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2852 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2853 <itemizedlist>
2854 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2855 <screen>
2856   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2857 </screen></para></listitem>
2858 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2859 <screen>
2860   type T (f :: * -> *) = f Int
2861 </screen></para></listitem>
2862 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2863 <screen>
2864   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2865 </screen></para></listitem>
2866 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2867 <screen>
2868   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2869 </screen></para></listitem>
2870 </itemizedlist>
2871 </para>
2872
2873 <para>
2874 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2875 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2876 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2877 single lexeme in Haskell.
2878 </para>
2879
2880 <para>
2881 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2882 as well.  Thus:
2883 <screen>
2884    f :: (Int :: *) -> Int
2885    g :: forall a. a -> (a :: *)
2886 </screen>
2887 The syntax is
2888 <screen>
2889    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2890 </screen>
2891 The parentheses are required.
2892 </para>
2893 </sect2>
2894
2895
2896 <sect2 id="universal-quantification">
2897 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2898 </title>
2899
2900 <para>
2901 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2902 allows us to say exactly what this means.  For example:
2903 </para>
2904 <para>
2905 <programlisting>
2906         g :: b -> b
2907 </programlisting>
2908 means this:
2909 <programlisting>
2910         g :: forall b. (b -> b)
2911 </programlisting>
2912 The two are treated identically.
2913 </para>
2914
2915 <para>
2916 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2917 explicit universal quantification in
2918 types. 
2919 For example, all the following types are legal:
2920 <programlisting>
2921     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2922     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2923
2924     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2925     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2926
2927     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2928 </programlisting>
2929 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2930 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2931 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2932 is implicitly added by Haskell.
2933 </para>
2934 <para>
2935 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2936 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2937 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2938 </para>
2939 <para>
2940 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2941 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2942 </para>
2943 <para>
2944 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2945 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2946 that restriction has now been lifted.)
2947 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2948 including an operational type class context, is legal:
2949 <itemizedlist>
2950 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2951 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2952 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2953 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2954 field type signatures.</para> </listitem>
2955 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2956 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2957 </itemizedlist>
2958 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2959 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2960 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2961 <programlisting>
2962     x1 :: [forall a. a->a]
2963     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2964     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2965 </programlisting>
2966 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2967 a type variable any more!
2968 </para>
2969
2970
2971 <sect3 id="univ">
2972 <title>Examples
2973 </title>
2974
2975 <para>
2976 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2977 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2978 </para>
2979
2980 <para>
2981
2982 <programlisting>
2983 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2984
2985 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2986                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2987                         }
2988
2989 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2990 </programlisting>
2991
2992 </para>
2993
2994 <para>
2995 The constructors have rank-2 types:
2996 </para>
2997
2998 <para>
2999
3000 <programlisting>
3001 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
3002 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
3003                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
3004                   -> MonadT m
3005 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
3006 </programlisting>
3007
3008 </para>
3009
3010 <para>
3011 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
3012 explicit context.  For example in the first argument of the
3013 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
3014 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
3015 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
3016 mentioned in the type quantified over.
3017 </para>
3018
3019 <para>
3020 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
3021 types too.  So if you write this:
3022
3023 <programlisting>
3024   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
3025 </programlisting>
3026
3027 it's just as if you had written this:
3028
3029 <programlisting>
3030   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
3031 </programlisting>
3032
3033 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
3034 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
3035 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
3036 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
3037 </para>
3038
3039 <para>
3040 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
3041 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
3042 </para>
3043
3044 <para>
3045
3046 <programlisting>
3047     a1 :: T Int
3048     a1 = T1 (\xy->x) 3
3049     
3050     a2, a3 :: Swizzle
3051     a2 = MkSwizzle sort
3052     a3 = MkSwizzle reverse
3053     
3054     a4 :: MonadT Maybe
3055     a4 = let r x = Just x
3056              b m k = case m of
3057                        Just y -> k y
3058                        Nothing -> Nothing
3059          in
3060          MkMonad r b
3061
3062     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
3063     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
3064 </programlisting>
3065
3066 </para>
3067
3068 <para>
3069 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
3070 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
3071 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
3072 </para>
3073
3074 <para>
3075 When you use pattern matching, the bound variables may now have
3076 polymorphic types.  For example:
3077 </para>
3078
3079 <para>
3080
3081 <programlisting>
3082     f :: T a -> a -> (a, Char)
3083     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3084
3085     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
3086     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
3087
3088     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
3089     h m [] = return m []
3090     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
3091                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
3092                  return m (y:ys)
3093 </programlisting>
3094
3095 </para>
3096
3097 <para>
3098 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
3099 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
3100 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
3101 matching.
3102 </para>
3103 </sect3>
3104
3105 <sect3>
3106 <title>Type inference</title>
3107
3108 <para>
3109 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
3110 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
3111 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
3112 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
3113 </para>
3114 <para>
3115 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
3116 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
3117 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
3118 </para>
3119 <para>
3120 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
3121 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
3122 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
3123 <programlisting>
3124      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
3125 </programlisting>
3126 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
3127 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
3128 <programlisting>
3129      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3130 </programlisting>
3131 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
3132 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
3133 one can give a type signature for the function itself:
3134 <programlisting>
3135      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3136      h f = (f True, f 'c')
3137 </programlisting>
3138 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
3139 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
3140 <programlisting>
3141     f :: T a -> a -> (a, Char)
3142     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3143 </programlisting>
3144 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
3145 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
3146 it needs to know.
3147 </para>
3148
3149 </sect3>
3150
3151
3152 <sect3 id="implicit-quant">
3153 <title>Implicit quantification</title>
3154
3155 <para>
3156 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
3157 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
3158 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
3159 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
3160 equivalent:
3161 <programlisting>
3162   f :: a -> a
3163   f :: forall a. a -> a
3164
3165   g (x::a) = let
3166                 h :: a -> b -> b
3167                 h x y = y
3168              in ...
3169   g (x::a) = let
3170                 h :: forall b. a -> b -> b
3171                 h x y = y
3172              in ...
3173 </programlisting>
3174 </para>
3175 <para>
3176 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
3177 point.  For example:
3178 <programlisting>
3179   f :: (a -> a) -> Int
3180            -- MEANS
3181   f :: forall a. (a -> a) -> Int
3182            -- NOT
3183   f :: (forall a. a -> a) -> Int
3184
3185
3186   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
3187            -- MEANS the illegal type
3188   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
3189            -- NOT
3190   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
3191 </programlisting>
3192 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
3193 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
3194 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
3195 for rank-2 types.
3196 </para>
3197 </sect3>
3198 </sect2>
3199
3200
3201 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
3202 <title>Impredicative polymorphism
3203 </title>
3204 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>.  This means
3205 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
3206 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
3207 <programlisting>
3208   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
3209   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
3210   f Nothing  = Nothing
3211 </programlisting>
3212 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
3213 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
3214 [a])</literal>.
3215 </para>
3216 <para>The technical details of this extension are described in the paper
3217 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy">Boxy types:
3218 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
3219 which appeared at ICFP 2006.  
3220 </para>
3221 </sect2>
3222
3223 <sect2 id="scoped-type-variables">
3224 <title>Lexically scoped type variables
3225 </title>
3226
3227 <para>
3228 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
3229 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
3230 <programlisting>
3231 f :: forall a. [a] -> [a]
3232 f xs = ys ++ ys
3233      where
3234        ys :: [a]
3235        ys = reverse xs
3236 </programlisting>
3237 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
3238 the entire definition of <literal>f</literal>.
3239 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>. 
3240 In Haskell 98 it is not possible to declare
3241 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
3242 it becomes possible to do so.
3243 </para>
3244 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
3245 <option>-fglasgow-exts</option>.
3246 </para>
3247 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
3248 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
3249 carefully!</para>
3250
3251 <sect3>
3252 <title>Overview</title>
3253
3254 <para>The design follows the following principles
3255 <itemizedlist>
3256 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
3257 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
3258 design.)</para></listitem>
3259 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
3260 type variables.  This means that every programmer-written type signature
3261 (includin one that contains free scoped type variables) denotes a
3262 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
3263 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
3264 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
3265 changing the program.</para></listitem>
3266 </itemizedlist>
3267 </para>
3268 <para>
3269 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
3270 <itemizedlist>
3271 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
3272 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
3273 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
3274 </itemizedlist>
3275 </para>
3276 <para>
3277 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantifed over
3278 its free type variables (<ulink
3279 url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
3280 4.1.2</ulink> 
3281 of the Haskel Report).
3282 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
3283 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
3284 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
3285 then
3286 <programlisting>
3287   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
3288   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
3289   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
3290 </programlisting>
3291 </para>
3292
3293
3294 </sect3>
3295
3296
3297 <sect3 id="decl-type-sigs">
3298 <title>Declaration type signatures</title>
3299 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3300 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3301 explicitly-quantified
3302 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3303 <programlisting>
3304   f :: forall a. [a] -> [a]
3305   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3306 </programlisting>
3307 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3308 the definition of "<literal>f</literal>".
3309 </para>
3310 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3311 signature is explicit.  For example:
3312 <programlisting>
3313   g :: [a] -> [a]
3314   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3315 </programlisting>
3316 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3317 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3318 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3319 quantification rules.
3320 </para>
3321 </sect3>
3322
3323 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3324 <title>Pattern type signatures</title>
3325 <para>
3326 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
3327 signature</emphasis>.  
3328 For example:
3329 <programlisting>
3330   -- f and g assume that 'a' is already in scope
3331   f = \(x::Int, y) -> x
3332   g (x::a) = x
3333   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
3334 </programlisting>
3335 In the case where all the type variables in the pattern type sigature are
3336 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
3337 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
3338 </para>
3339 <para>
3340 There is only one situation in which you can write a pattern type signature that
3341 mentions a type variable that is not already in scope, namely in pattern match
3342 of an existential data constructor.  For example:
3343 <programlisting>
3344   data T = forall a. MkT [a]
3345
3346   k :: T -> T
3347   k (MkT [t::a]) = MkT t3
3348                  where
3349                    t3::[a] = [t,t,t]
3350 </programlisting>
3351 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
3352 variable that is not already in scope.  Indeed, it cannot already be in scope,
3353 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
3354 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
3355 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
3356 existentially-bound type variable.
3357 </para>
3358 <para>
3359 If this seems a little odd, we think so too.  But we must have
3360 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
3361 could not name existentially-bound type variables in subequent type signatures.
3362 </para>
3363 <para>
3364 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
3365 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
3366 scope.
3367 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
3368 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
3369 </para>
3370
3371
3372 </sect3>
3373
3374 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
3375
3376 <sect3 id="result-type-sigs">
3377 <title>Result type signatures</title>
3378
3379 <para>
3380 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
3381
3382 <programlisting>
3383   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
3384   f x y :: [a] = [x,y,x]
3385
3386   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
3387
3388   h :: forall a. [a] -> a
3389   h xs = case xs of
3390             (y:ys) :: a -> y
3391 </programlisting>
3392 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
3393 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
3394 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
3395 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
3396 </para>
3397 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
3398 <para>
3399 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
3400 examples would parse quite differently with parentheses:
3401 <programlisting>
3402   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
3403   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
3404
3405   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
3406
3407   h :: forall a. [a] -> a
3408   h xs = case xs of
3409             ((y:ys) :: a) -> y
3410 </programlisting>
3411 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
3412 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
3413 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
3414
3415 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3416 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3417 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3418 consider how one would parse this:
3419 <programlisting>
3420   \ x :: a -> b -> x
3421 </programlisting>
3422 </para>
3423 </sect3>
3424
3425  -->
3426
3427 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
3428 <title>Class and instance declarations</title>
3429 <para>
3430
3431 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3432 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3433
3434
3435 <programlisting>
3436   class C a where
3437     op :: [a] -> a
3438
3439     op xs = let ys::[a]
3440                 ys = reverse xs
3441             in
3442             head ys
3443 </programlisting>
3444 </para>
3445 </sect3>
3446
3447 </sect2>
3448
3449 <sect2 id="deriving-typeable">
3450 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3451
3452 <para>
3453 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3454 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3455 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3456 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3457 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3458 </para>
3459 <para>
3460 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3461 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3462 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3463 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3464 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3465 </para>
3466 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3467 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3468 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3469 described in
3470 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3471 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3472 </ulink>.
3473 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3474 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3475 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3476 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3477 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3478 then writing the data type instance by hand.
3479 </para>
3480 </sect2>
3481
3482 <sect2 id="newtype-deriving">
3483 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3484
3485 <para>
3486 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3487 the new type to inherit some instances from its representation. In
3488 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3489 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3490 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3491 example, if you define
3492
3493 <programlisting> 
3494   newtype Dollars = Dollars Int 
3495 </programlisting> 
3496
3497 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3498 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3499
3500 <programlisting> 
3501   instance Num Dollars where
3502     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3503     ...
3504 </programlisting>
3505 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3506 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3507 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3508 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3509 dictionary, only slower!
3510 </para>
3511
3512
3513 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3514 <para>
3515 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3516 <programlisting> 
3517   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3518 </programlisting> 
3519
3520 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3521 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3522 derives an instance declaration of the form
3523
3524 <programlisting> 
3525   instance Num Int => Num Dollars
3526 </programlisting> 
3527
3528 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3529 </para>
3530 <para>
3531
3532 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3533 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3534 transformers, such that
3535
3536 <programlisting> 
3537   instance Monad m => Monad (State s m) 
3538   instance Monad m => Monad (Failure m)
3539 </programlisting> 
3540 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3541 <programlisting> 
3542   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3543 </programlisting> 
3544
3545 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3546 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3547 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3548
3549 <programlisting> 
3550   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3551                          deriving Monad
3552 </programlisting>
3553 In this case the derived instance declaration is of the form 
3554 <programlisting> 
3555   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3556 </programlisting> 
3557
3558 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3559 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3560 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3561 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3562 declaration.
3563 </para>
3564 <para>
3565
3566 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3567 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3568 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3569 clause. For example, given the class
3570
3571 <programlisting> 
3572   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3573   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3574 </programlisting> 
3575 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3576 <programlisting> 
3577   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3578                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3579 </programlisting>
3580
3581 The derived instance is obtained by completing the application of the
3582 class to the new type:
3583
3584 <programlisting> 
3585   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3586            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3587 </programlisting>
3588 </para>
3589 <para>
3590
3591 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3592  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3593 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3594 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3595 the newtype and its representation.
3596 </para>
3597 </sect3>
3598
3599 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3600 <para>
3601 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3602 declaration (after expansion of any type synonyms)
3603
3604 <programlisting> 
3605   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3606 </programlisting> 
3607
3608 where 
3609  <itemizedlist>
3610 <listitem><para>
3611   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type
3612 </para></listitem>
3613 <listitem><para>
3614   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in 
3615   <literal>t</literal>, and
3616 </para></listitem>
3617 <listitem><para>
3618   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3619   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3620   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3621 </para></listitem>
3622 <listitem><para>
3623   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3624                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3625                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3626                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3627                 via this new mechanism.  
3628 </para></listitem>
3629 </itemizedlist>
3630 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3631 declaration is:
3632 <programlisting> 
3633   instance ci (t vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3634 </programlisting>
3635 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3636 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3637 </para>
3638 <para>
3639
3640 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3641 <programlisting> 
3642   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3643 </programlisting> 
3644 Here we cannot derive the instance 
3645 <programlisting> 
3646   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3647 </programlisting> 
3648
3649 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3650 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3651 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3652 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3653 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3654 </para>
3655 <para>
3656
3657 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3658 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3659 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3660
3661 <programlisting> 
3662   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3663 </programlisting>
3664
3665 then we would not have been able to derive an instance for the
3666 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3667 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3668 instances is most interesting.
3669 </para>
3670 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3671 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3672 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3673 4.3.3. of the Haskell Report).
3674 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3675 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3676 the standard method is used or the one described here.)
3677 </para>
3678 </sect3>
3679
3680 </sect2>
3681
3682 <sect2 id="typing-binds">
3683 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3684
3685 <para>
3686 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3687 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3688 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3689 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3690 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3691 As each group is type-checked, any binders of the group that
3692 have
3693 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3694 polymorphic type,
3695 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3696 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3697 </para>
3698
3699 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3700 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3701 Haskell</ulink>,
3702 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3703 specified:
3704 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3705 type signature</emphasis>.
3706 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3707 typecheck.  For example, consider:
3708 <programlisting>
3709   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3710   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3711   
3712   g y = (y &lt;= y) || f True
3713 </programlisting>
3714 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3715 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3716 <literal>f</literal>,
3717 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3718 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3719 type is generalised, to get
3720 <programlisting>
3721   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3722 </programlisting>
3723 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3724 <literal>g</literal> in the type environment.
3725 </para>
3726
3727 <para>
3728 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3729 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3730 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3731 <option>-fglasgow-exts</option>
3732 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3733 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3734 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3735 <programlisting>
3736   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3737   f x = (x == x) || g True
3738   
3739   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3740   g y = (y &lt;= y) || f True
3741 </programlisting>
3742 </para>
3743 </sect2>
3744
3745 </sect1>
3746 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3747   
3748 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3749
3750 <sect1 id="gadt">
3751 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3752
3753 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3754 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3755 <programlisting>
3756   data Term a where
3757       Lit    :: Int -> Term Int
3758       Succ   :: Term Int -> Term Int
3759       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3760       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3761       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3762 </programlisting>
3763 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3764 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3765 for these <literal>Terms</literal>:
3766 <programlisting>
3767   eval :: Term a -> a
3768   eval (Lit i)      = i
3769   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3770   eval (IsZero t)   = eval t == 0
3771   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3772   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
3773 </programlisting>
3774 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3775 </para>
3776 <para>
3777 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs. 
3778 It is far from comprehensive, but the design closely follows that described in
3779 the paper <ulink
3780 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/index.htm">Simple
3781 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
3782 which appeared in ICFP 2006.
3783 <itemizedlist>
3784 <listitem><para>
3785   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3786 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3787 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3788 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3789 <programlisting>
3790   data Term :: * -> * where ...
3791 </programlisting>
3792 or even a mixture of the two:
3793 <programlisting>
3794   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3795 </programlisting>
3796 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3797 like this:
3798 <programlisting>
3799   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3800 </programlisting>
3801 </para></listitem>
3802
3803 <listitem><para>
3804 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3805 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3806 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3807 </para></listitem>
3808
3809 <listitem><para>
3810 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
3811
3812 <programlisting>
3813   data Term a where
3814       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
3815       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
3816       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
3817       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
3818       Pair   { arg1 :: Term a
3819              , arg2 :: Term b
3820              }                    :: Term (a,b)
3821       If     { cnd  :: Term Bool
3822              , tru  :: Term a
3823              , fls  :: Term a
3824              }                    :: Term a
3825 </programlisting>
3826 For every constructor that has a field <literal>f</literal>, (a) the type of
3827 field <literal>f</literal> must be the same; and (b) the
3828 result type of the constructor must be the same; both modulo alpha conversion.
3829 Hence, in our example, we cannot merge the <literal>num</literal> and <literal>arg</literal>
3830 fields above into a 
3831 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
3832 their selector functions actually have different types:
3833
3834 <programlisting>
3835   num :: Term Int -> Term Int
3836   arg :: Term Bool -> Term Int
3837 </programlisting>
3838
3839 At the moment, record updates are not yet possible with GADT, so support is 
3840 limited to record construction, selection and pattern matching:
3841
3842 <programlisting>
3843   someTerm :: Term Bool
3844   someTerm = IsZero { arg = Succ { num = Lit { val = 0 } } }
3845
3846   eval :: Term a -> a
3847   eval Lit    { val = i } = i
3848   eval Succ   { num = t } = eval t + 1
3849   eval Pred   { num = t } = eval t - 1
3850   eval IsZero { arg = t } = eval t == 0
3851   eval Pair   { arg1 = t1, arg2 = t2 } = (eval t1, eval t2)
3852   eval t@If{} = if eval (cnd t) then eval (tru t) else eval (fls t)
3853 </programlisting>
3854
3855 </para></listitem>
3856
3857 <listitem><para>
3858 You can use strictness annotations, in the obvious places
3859 in the constructor type:
3860 <programlisting>
3861   data Term a where
3862       Lit    :: !Int -> Term Int
3863       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3864       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3865 </programlisting>
3866 </para></listitem>
3867
3868 <listitem><para>
3869 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
3870 declaration, but only if the data type could also have been declared in
3871 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
3872 <programlisting>
3873   data Maybe1 a where {
3874       Nothing1 :: Maybe a ;
3875       Just1    :: a -> Maybe a
3876     } deriving( Eq, Ord )
3877
3878   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
3879        deriving( Eq, Ord )
3880 </programlisting>
3881 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
3882 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
3883 </para></listitem>
3884
3885 <listitem><para>
3886 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3887 <programlisting>
3888   eval :: Term a -> a
3889   eval (Lit i) =  ...
3890 </programlisting>
3891 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3892 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3893 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3894
3895 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3896 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3897 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3898 <programlisting>
3899   eval :: Term a -> a -> a
3900   eval (Lit i) j =  i+j
3901 </programlisting>
3902 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3903 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3904 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3905 </para>
3906 </listitem>
3907 </itemizedlist>
3908 </para>
3909
3910 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3911 <programlisting>
3912   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3913   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
3914 </programlisting>
3915 </para>
3916 </sect1>
3917
3918 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3919
3920 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3921
3922 <sect1 id="template-haskell">
3923 <title>Template Haskell</title>
3924
3925 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
3926 Haskell.  
3927 The background to
3928 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3929 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3930 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3931 </para>
3932 <para>
3933 There is a Wiki page about
3934 Template Haskell at <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
3935 http://www.haskell.org/th/</ulink>, and that is the best place to look for
3936 further details.
3937 You may also 
3938 consult the <ulink
3939 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
3940 Haskell library reference material</ulink> 
3941 (search for the type ExpQ).
3942 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3943       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3944 Not all of these changes are in GHC 6.6.]
3945 </para>
3946
3947 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3948 </para>
3949
3950 <para>
3951 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3952 Tim Sheard is going to expand it.)
3953 </para>
3954
3955     <sect2>
3956       <title>Syntax</title>
3957
3958       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3959       constructions.  You need to use the flag
3960       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3961       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3962       (<option>-fth</option> is no longer implied by
3963       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
3964
3965         <itemizedlist>
3966               <listitem><para>
3967                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3968                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3969                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3970                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3971                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3972                   </para>
3973               <para> A splice can occur in place of 
3974                   <itemizedlist>
3975                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
3976                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
3977                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3978                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
3979                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
3980                     </itemizedlist>
3981            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3982         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3983         as in the paper.)
3984                 </para></listitem>
3985
3986
3987               <listitem><para>
3988                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3989                   <itemizedlist>
3990                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3991                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3992                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3993                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3994                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3995                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3996                   </itemizedlist></para></listitem>
3997
3998               <listitem><para>
3999                   Reification is written thus:
4000                   <itemizedlist>
4001                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
4002                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
4003                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
4004                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
4005                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
4006                     
4007                   </itemizedlist></para>
4008                 </listitem>
4009
4010                   
4011         </itemizedlist>
4012 </sect2>
4013
4014 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
4015 <para>
4016 <itemizedlist>
4017     <listitem><para>
4018     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
4019     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
4020     </para></listitem>
4021
4022     <listitem><para>
4023     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
4024             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
4025             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
4026    </para></listitem>
4027
4028     <listitem><para>
4029             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
4030    </para></listitem>
4031     <listitem><para>
4032             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
4033               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
4034               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
4035               the program it compiles produces results whose representations are identical to
4036               those of the compiler itself.
4037    </para></listitem>
4038 </itemizedlist>
4039 </para>
4040 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
4041         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
4042         has been lifted.
4043 </para>
4044 </sect2>
4045  
4046 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
4047 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
4048   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
4049
4050 <programlisting>
4051
4052 {- Main.hs -}
4053 module Main where
4054
4055 -- Import our template "pr"
4056 import Printf ( pr )
4057
4058 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
4059 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
4060 -- the argument of "putStrLn".
4061 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
4062
4063
4064 {- Printf.hs -}
4065 module Printf where
4066
4067 -- Skeletal printf from the paper.
4068 -- It needs to be in a separate module to the one where
4069 -- you intend to use it.
4070
4071 -- Import some Template Haskell syntax
4072 import Language.Haskell.TH
4073
4074 -- Describe a format string
4075 data Format = D | S | L String
4076
4077 -- Parse a format string.  This is left largely to you
4078 -- as we are here interested in building our first ever
4079 -- Template Haskell program and not in building printf.
4080 parse :: String -> [Format]
4081 parse s   = [ L s ]
4082
4083 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
4084 -- of the format string.  This code will be spliced into
4085 -- the module which calls "pr", at compile time.
4086 gen :: [Format] -> ExpQ
4087 gen [D]   = [| \n -> show n |]
4088 gen [S]   = [| \s -> s |]
4089 gen [L s] = stringE s
4090
4091 -- Here we generate the Haskell code for the splice
4092 -- from an input format string.
4093 pr :: String -> ExpQ
4094 pr s      = gen (parse s)
4095 </programlisting>
4096
4097 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
4098 </para>
4099 <programlisting>
4100 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
4101 </programlisting>
4102
4103 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
4104
4105 <programlisting>
4106 $ ./main
4107 Hello
4108 </programlisting>
4109
4110 </sect2>
4111
4112 <sect2>
4113 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
4114 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
4115  
4116 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
4117 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
4118 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
4119 itself is running; this means that the compiled code referred to by
4120 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
4121 in particular this means that object code that is compiled for
4122 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
4123 expression, because profiled object code is only compatible with the
4124 profiling version of the runtime.</para>
4125
4126 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
4127 containing Template Haskell code and you need to compile it for
4128 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
4129 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
4130 The basic idea is to compile the program twice:</para>
4131
4132 <orderedlist>
4133 <listitem>
4134   <para>Compile the program or library first the normal way, without
4135   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
4136 </listitem>
4137 <listitem>
4138   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
4139   additionally use <option>-osuf
4140   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
4141   to name the object files differentliy (you can choose any suffix
4142   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
4143   load the object files built in the first step when executing splice
4144   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
4145   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
4146   GHC will emit an error message. </para>
4147 </listitem>
4148 </orderedlist>
4149 </sect2>
4150
4151 </sect1>
4152
4153 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
4154
4155 <sect1 id="arrow-notation">
4156 <title>Arrow notation
4157 </title>
4158
4159 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
4160 For more details, see
4161 <itemizedlist>
4162
4163 <listitem>
4164 <para>
4165 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
4166 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
4167 pp67&ndash;111, May 2000.
4168 </para>
4169 </listitem>
4170
4171 <listitem>
4172 <para>
4173 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
4174 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
4175 </para>
4176 </listitem>
4177
4178 <listitem>
4179 <para>
4180 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
4181 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
4182 Palgrave, 2003.
4183 </para>
4184 </listitem>
4185
4186 </itemizedlist>
4187 and the arrows web page at
4188 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
4189 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
4190 notation described in the second of these papers.
4191 What follows is a brief introduction to the notation;
4192 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
4193 This notation is translated to ordinary Haskell,
4194 using combinators from the
4195 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4196 module.
4197 </para>
4198
4199 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
4200 <screen>
4201 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
4202        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4203 </screen>
4204 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
4205 The variables of the pattern are bound in the body of the 
4206 <literal>proc</literal>-expression,
4207 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
4208 The syntax of commands is as follows:
4209 <screen>
4210 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
4211        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4212        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4213 </screen>
4214 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4215 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4216 infix operators as for expressions, and
4217 <screen>
4218 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4219        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4220        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4221        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4222        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4223        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4224
4225 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4226        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4227        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4228
4229 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4230        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4231        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4232        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4233 </screen>
4234 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4235 except that the bodies are commands instead of expressions.
4236 </para>
4237
4238 <para>
4239 Commands produce values, but (like monadic computations)
4240 may yield more than one value,
4241 or none, and may do other things as well.
4242 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4243 using commands.
4244 However the values of expressions, even monadic ones,
4245 are determined by the values of the variables they contain;
4246 this is not necessarily the case for commands.
4247 </para>
4248
4249 <para>
4250 A simple example of the new notation is the expression
4251 <screen>
4252 proc x -> f -&lt; x+1
4253 </screen>
4254 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4255 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4256 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4257 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4258 It refers to the input to the arrow.
4259 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4260 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4261 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4262 (The weird look will make more sense later.)
4263 It may be read as analogue of application for arrows.
4264 The above example is equivalent to the Haskell expression
4265 <screen>
4266 arr (\ x -> x+1) >>> f
4267 </screen>
4268 That would make no sense if the expression to the left of
4269 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4270 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4271 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4272 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4273 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4274 <screen>
4275 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4276 </screen>
4277 which is equivalent to
4278 <screen>
4279 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4280 </screen>
4281 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4282 class.
4283 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4284 you may find a monadic formulation more convenient.
4285 </para>
4286
4287 <sect2>
4288 <title>do-notation for commands</title>
4289
4290 <para>
4291 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4292 For example, you can write
4293 <screen>
4294 proc x -> do
4295         y &lt;- f -&lt; x+1
4296         g -&lt; 2*y
4297         let z = x+y
4298         t &lt;- h -&lt; x*z
4299         returnA -&lt; t+z
4300 </screen>
4301 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4302 but with commands in place of monadic expressions.
4303 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4304 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4305 <literal>y</literal>.
4306 In the next line, the output is discarded.
4307 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4308 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4309 module as <literal>arr id</literal>.
4310 The above example is treated as an abbreviation for
4311 <screen>
4312 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4313         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4314         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4315         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4316         arr snd >>>
4317         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4318         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4319         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4320         returnA
4321 </screen>
4322 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4323 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4324 defined in the
4325 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4326 module, this reduces to
4327 <screen>
4328 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4329         first f >>>
4330         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4331         first g >>>
4332         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4333         first h >>>
4334         arr (\ (t, z) -> t+z)
4335 </screen>
4336 which is what you might have written by hand.
4337 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4338 </para>
4339
4340 <para>
4341 Note that although the above translation suggests that
4342 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4343 monomorphic, the actual translation produces Core,
4344 so polymorphic variables are allowed.
4345 </para>
4346
4347 <para>
4348 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4349 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4350 <programlisting>
4351 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4352 counter = proc reset -> do
4353         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4354                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4355         returnA -&lt; output
4356 </programlisting>
4357 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4358 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4359 </para>
4360
4361 </sect2>
4362
4363 <sect2>
4364 <title>Conditional commands</title>
4365
4366 <para>
4367 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4368 input for an arrow.
4369 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4370 <screen>
4371 proc (x,y) ->
4372         if f x y
4373         then g -&lt; x+1
4374         else h -&lt; y+2
4375 </screen>
4376 which is translated to
4377 <screen>
4378 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4379         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4380 </screen>
4381 Since the translation uses <function>|||</function>,
4382 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4383 </para>
4384
4385 <para>
4386 There are also <literal>case</literal> commands, like
4387 <screen>
4388 case input of
4389     [] -> f -&lt; ()
4390     [x] -> g -&lt; x+1
4391     x1:x2:xs -> do
4392         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4393         ys &lt;- k -&lt; xs
4394         returnA -&lt; y:ys
4395 </screen>
4396 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4397 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4398 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4399 </para>
4400
4401 </sect2>
4402
4403 <sect2>
4404 <title>Defining your own control structures</title>
4405
4406 <para>
4407 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4408 modelled on those for expressions,
4409 for sequencing, value recursion and conditionals.
4410 But suitable combinators,
4411 which you can define in ordinary Haskell,
4412 may also be used to build new commands out of existing ones.
4413 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4414 These environments assign values to the free local variables of the command.
4415 Thus combinators that produce arrows from arrows
4416 may also be used to build commands from commands.
4417 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4418 <programlisting>
4419 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4420 </programlisting>
4421 so we can use it to build commands:
4422 <programlisting>
4423 expr' = proc x -> do
4424                 returnA -&lt; x
4425         &lt;+> do
4426                 symbol Plus -&lt; ()
4427                 y &lt;- term -&lt; ()
4428                 expr' -&lt; x + y
4429         &lt;+> do
4430                 symbol Minus -&lt; ()
4431                 y &lt;- term -&lt; ()
4432                 expr' -&lt; x - y
4433 </programlisting>
4434 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4435 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4436 expression on the previous line.)
4437 This is equivalent to
4438 <programlisting>
4439 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4440         &lt;+> (proc x -> do
4441                 symbol Plus -&lt; ()
4442                 y &lt;- term -&lt; ()
4443                 expr' -&lt; x + y)
4444         &lt;+> (proc x -> do
4445                 symbol Minus -&lt; ()
4446                 y &lt;- term -&lt; ()
4447                 expr' -&lt; x - y)
4448 </programlisting>
4449 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4450 (representing the environment input to the command
4451 and thence to its subcommands)
4452 and satisfy the corresponding naturality property
4453 <screen>
4454 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4455 </screen>
4456 at least for strict <literal>k</literal>.
4457 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4458 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4459 of the whole command,
4460 and also allows the translation to safely trim these environments.
4461 The operator must also not use any variable defined within the current
4462 arrow abstraction.
4463 </para>
4464
4465 <para>
4466 We could define our own operator
4467 <programlisting>
4468 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4469 untilA body cond = proc x ->
4470         if cond x then returnA -&lt; ()
4471         else do
4472                 body -&lt; x
4473                 untilA body cond -&lt; x
4474 </programlisting>
4475 and use it in the same way.
4476 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4477 there is also a more general syntax involving special brackets:
4478 <screen>
4479 proc x -> do
4480         y &lt;- f -&lt; x+1
4481         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4482 </screen>
4483 </para>
4484
4485 </sect2>
4486
4487 <sect2>
4488 <title>Primitive constructs</title>
4489
4490 <para>
4491 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4492 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4493 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4494 exception that occurred to the handler.
4495 Such an operator might have a type
4496 <screen>
4497 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4498 </screen>
4499 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4500 You could then use this with arrow notation by writing a command
4501 <screen>
4502 body `handleA` \ ex -> handler
4503 </screen>
4504 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4505 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4506 and the command <literal>handler</literal>,
4507 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4508 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4509 we are talking about commands, and something different is going on.
4510 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4511 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4512 In all the prior examples, this stack was empty.
4513 In the second argument to <function>handleA</function>,
4514 this stack consists of one value, the value of the exception.
4515 The command form of lambda merely gives this value a name.
4516 </para>
4517
4518 <para>
4519 More concretely,
4520 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4521 So operators like <function>handleA</function> that pass
4522 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4523 by pairing the values with the environment in this way.
4524 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4525 should have the form
4526 <screen>
4527 a (...(e,t1), ... tn) t
4528 </screen>
4529 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4530 (representing the environment)
4531 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4532 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4533 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4534 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4535 <replaceable>t</replaceable>.
4536 However the arrows involved need not be the same.
4537 Here are some more examples of suitable operators:
4538 <screen>
4539 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4540 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4541 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4542 </screen>
4543 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4544 by applying them to ordinary expressions, as in
4545 <screen>
4546 proc x -> do
4547         s &lt;- ...
4548         (|runReader (do { ... })|) s
4549 </screen>
4550 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4551 built using <function>runReader</function>.
4552 </para>
4553
4554 <para>
4555 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4556 the expression versions.
4557 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4558 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4559 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4560 though the results would be somewhat clumsy.
4561 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4562 <programlisting>
4563 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4564 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4565
4566 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4567 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4568 </programlisting>
4569 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4570 <programlisting>
4571 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4572 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4573 </programlisting>
4574 </para>
4575
4576 </sect2>
4577
4578 <sect2>
4579 <title>Differences with the paper</title>
4580
4581 <itemizedlist>
4582
4583 <listitem>
4584 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4585 translations, the implementation provides two forms
4586 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4587 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4588 </para>
4589 </listitem>
4590
4591 <listitem>
4592 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4593 a new <literal>form</literal> keyword.
4594 </para>
4595 </listitem>
4596
4597 </itemizedlist>
4598
4599 </sect2>
4600
4601 <sect2>
4602 <title>Portability</title>
4603
4604 <para>
4605 Although only GHC implements arrow notation directly,
4606 there is also a preprocessor
4607 (available from the 
4608 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4609 that translates arrow notation into Haskell 98
4610 for use with other Haskell systems.
4611 You would still want to check arrow programs with GHC;
4612 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4613 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4614 additional restrictions:
4615 <itemizedlist>
4616
4617 <listitem>
4618 <para>
4619 The module must import
4620 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4621 </para>
4622 </listitem>
4623
4624 <listitem>
4625 <para>
4626 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4627 These would have to go in separate modules.
4628 </para>
4629 </listitem>
4630
4631 <listitem>
4632 <para>
4633 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4634 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4635 </para>
4636 </listitem>
4637
4638 </itemizedlist>
4639 </para>
4640
4641 </sect2>
4642
4643 </sect1>
4644
4645 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
4646
4647 <sect1 id="sec-bang-patterns">
4648 <title>Bang patterns
4649 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
4650 </title>
4651 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
4652 patterns</emphasis>.   Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
4653 The <ulink
4654 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
4655 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
4656 than the material below.
4657 </para>
4658 <para>
4659 Bang patterns are enabled by the flag <option>-fbang-patterns</option>.
4660 </para>
4661
4662 <sect2 id="sec-bang-patterns-informal">
4663 <title>Informal description of bang patterns
4664 </title>
4665 <para>
4666 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
4667 <programlisting>
4668   pat ::= !pat
4669 </programlisting>
4670 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
4671 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
4672 Example:
4673 <programlisting>
4674 f1 !x = True
4675 </programlisting>
4676 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
4677 whereas without the bang it would be lazy.
4678 Bang patterns can be nested of course:
4679 <programlisting>
4680 f2 (!x, y) = [x,y]
4681 </programlisting>
4682 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
4683 <literal>y</literal>.  
4684 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
4685 <programlisting>
4686 f3 !(x,y) = [x,y]
4687 f4 (x,y)  = [x,y]
4688 </programlisting>
4689 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; putting a bang before a pattern that
4690 forces evaluation anyway does nothing.
4691 </para><para>
4692 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
4693 <programlisting>
4694 g5 x = let y = f x in body
4695 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
4696 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
4697 </programlisting>
4698 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
4699 But <literal>g7</literal> evalutes <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
4700 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
4701 </para><para>
4702 Bang patterns work in <literal>let</literal> and <literal>where</literal>
4703 definitions too. For example:
4704 <programlisting>
4705 let ![x,y] = e in b
4706 </programlisting>
4707 is a strict pattern: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
4708 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>
4709 The "<literal>!</literal>" should not be regarded as part of the pattern; after all,
4710 in a function argument <literal>![x,y]</literal> means the 
4711 same as <literal>[x,y]</literal>.  Rather, the "<literal>!</literal>" 
4712 is part of the syntax of <literal>let</literal> bindings.
4713 </para>
4714 </sect2>
4715
4716
4717 <sect2 id="sec-bang-patterns-sem">
4718 <title>Syntax and semantics
4719 </title>
4720 <para>
4721
4722 We add a single new production to the syntax of patterns:
4723 <programlisting>
4724   pat ::= !pat
4725 </programlisting>
4726 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
4727 <programlisting>
4728 f !x = 3
4729 </programlisting>
4730 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
4731 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
4732 ambiguity inf favour of the latter.  If you want to define
4733 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
4734 prefix notation:
4735 <programlisting>
4736 (!) f x = 3
4737 </programlisting>
4738 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
4739 url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
4740 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
4741 one extra item 10, saying:
4742 <itemizedlist><listitem><para>Matching
4743 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
4744 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
4745                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
4746                 <literal>v</literal></para></listitem>
4747 </itemizedlist>
4748 </para></listitem></itemizedlist>
4749 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
4750 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
4751 <programlisting>
4752 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
4753    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
4754 </programlisting>
4755 </para><para>
4756 That leaves let expressions, whose translation is given in 
4757 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
4758 3.12</ulink>
4759 of the Haskell Report.
4760 In the translation box, first apply 
4761 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
4762 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
4763 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
4764 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
4765 </para>
4766 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
4767 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
4768 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
4769 thus:
4770 <programlisting>
4771   let !y = f x in b
4772 </programlisting>
4773
4774 </para>
4775 <para>
4776 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
4777 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
4778 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
4779      is equivalent to
4780 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
4781 </para>
4782 <para>
4783 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
4784 a module.
4785 </para>
4786 </sect2>
4787 </sect1>
4788
4789 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4790
4791 <sect1 id="sec-assertions">
4792 <title>Assertions
4793 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4794 </title>
4795
4796 <para>
4797 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4798 could define a function like the following:
4799 </para>
4800
4801 <para>
4802
4803 <programlisting>
4804 assert :: Bool -> a -> a
4805 assert False x = error "assertion failed!"
4806 assert _     x = x
4807 </programlisting>
4808
4809 </para>
4810
4811 <para>
4812 which works, but gives you back a less than useful error message --
4813 an assertion failed, but which and where?
4814 </para>
4815
4816 <para>
4817 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4818 takes a descriptive string to include in the error message and
4819 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4820 the source location where <function>assert</function> was used.
4821 </para>
4822
4823 <para>
4824 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4825 use of <function>assert</function> in the user's source:
4826 </para>
4827
4828 <para>
4829
4830 <programlisting>
4831 kelvinToC :: Double -> Double
4832 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4833 </programlisting>
4834
4835 </para>
4836
4837 <para>
4838 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4839 assertion was made,
4840 </para>
4841
4842 <para>
4843
4844 <programlisting>
4845 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4846 </programlisting>
4847
4848 </para>
4849
4850 <para>
4851 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4852 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4853 can still define and use your own versions of
4854 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4855 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4856 <function>assert</function> in your code.
4857 </para>
4858
4859 <para>
4860 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
4861       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
4862 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4863 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
4864       <option>-fignore-asserts</option>
4865       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
4866       </indexterm>.</para>
4867
4868 <para>
4869 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4870 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4871 </para>
4872
4873 </sect1>
4874
4875
4876 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4877
4878   <sect1 id="pragmas">
4879     <title>Pragmas</title>
4880
4881     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4882
4883     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4884     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4885     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4886     of the generated code.</para>
4887
4888     <para>Pragmas all take the form
4889
4890 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4891
4892     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4893     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4894     type of pragma.  Case is ignored in
4895     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4896     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4897     in the following sections; any pragma encountered with an
4898     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4899     ignored.</para>
4900
4901     <sect2 id="deprecated-pragma">
4902       <title>DEPRECATED pragma</title>
4903       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4904       </indexterm>
4905
4906       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4907       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4908       forms.
4909
4910       <itemizedlist>
4911         <listitem>
4912           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4913 <programlisting>
4914    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4915      ...
4916 </programlisting>
4917           <para>When you compile any module that import
4918           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4919           message.</para>
4920         </listitem>
4921
4922         <listitem>
4923           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
4924           following top-level declaration:</para>
4925 <programlisting>
4926    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4927 </programlisting>
4928           <para>When you compile any module that imports and uses any
4929           of the specified entities, GHC will print the specified
4930           message.</para>
4931           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
4932           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
4933           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
4934           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
4935           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
4936           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
4937           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
4938         </listitem>
4939       </itemizedlist>
4940       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4941       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4942       deprecations are not reported for
4943       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4944       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4945       The latter reduces spurious complaints within a library
4946       in which one module gathers together and re-exports 
4947       the exports of several others.
4948       </para>
4949       <para>You can suppress the warnings with the flag
4950       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4951     </sect2>
4952
4953     <sect2 id="include-pragma">
4954       <title>INCLUDE pragma</title>
4955
4956       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4957         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4958         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4959         compiling via C).  For example:</para>
4960
4961 <programlisting>
4962 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4963 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4964
4965       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4966         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4967         pragma(s).</para>
4968
4969       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4970         to the <option>-#include</option> option (<xref
4971           linkend="options-C-compiler" />), because the
4972         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4973         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4974         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4975         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4976     </sect2>
4977
4978     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4979       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4980
4981       <para>These pragmas control the inlining of function
4982       definitions.</para>
4983
4984       <sect3 id="inline-pragma">
4985         <title>INLINE pragma</title>
4986         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4987
4988         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4989         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4990         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4991         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4992         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4993         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4994         export that unfolding for other modules to use.</para>
4995
4996         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4997         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4998         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4999
5000 <programlisting>
5001 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
5002
5003 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5004 {-# INLINE key_function #-}
5005 #endif
5006 </programlisting>
5007
5008         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
5009         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
5010         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
5011
5012         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
5013         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
5014         The normal unfolding machinery will then be very keen to
5015         inline it.</para>
5016
5017         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
5018         function can be put anywhere its type signature could be
5019         put.</para>
5020
5021         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
5022         good idea for the
5023         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
5024         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
5025         a monad.  For example, in GHC's own
5026         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
5027
5028 <programlisting>
5029 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5030 {-# INLINE thenUs #-}
5031 {-# INLINE returnUs #-}
5032 #endif
5033 </programlisting>
5034
5035         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
5036         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
5037       </sect3>
5038
5039       <sect3 id="noinline-pragma">
5040         <title>NOINLINE pragma</title>
5041         
5042         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
5043         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
5044
5045         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
5046         you'd expect: it stops the named function from being inlined
5047         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
5048         you're very cautious about code size.</para>
5049
5050         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
5051         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
5052         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
5053         inlining, so it should be used if you want your code to be
5054         portable).</para>
5055       </sect3>
5056
5057       <sect3 id="phase-control">
5058         <title>Phase control</title>
5059
5060         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
5061         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
5062         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
5063         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
5064         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
5065         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
5066         sequence of phase numbers for successive runs of the
5067         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
5068         phase number, thus:
5069         <itemizedlist>
5070           <listitem>
5071             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5072             <literal>f</literal>
5073               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5074               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
5075             </para></listitem>
5076           <listitem>
5077             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
5078             <literal>f</literal>
5079               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5080               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5081             </para></listitem>
5082           <listitem>
5083             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5084             <literal>f</literal>
5085               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5086               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
5087               there was no pragma).
5088             </para></listitem>
5089             <listitem>
5090             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
5091             <literal>f</literal>
5092               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5093               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5094             </para></listitem>
5095         </itemizedlist>
5096 The same information is summarised here:
5097 <programlisting>
5098                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
5099   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
5100   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
5101   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
5102   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
5103
5104   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
5105   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
5106 </programlisting>
5107 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
5108 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
5109 Another way to understand the semantics is this:
5110 <itemizedlist>
5111 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
5112 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
5113 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
5114 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
5115 happen.
5116 </para></listitem>
5117 </itemizedlist>
5118 </para>
5119 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
5120         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
5121       </sect3>
5122     </sect2>
5123
5124     <sect2 id="language-pragma">
5125       <title>LANGUAGE pragma</title>
5126
5127       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5128       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
5129
5130       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
5131         It is the intention that all Haskell compilers support the
5132         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
5133         all extensions are supported by all compilers, of
5134         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
5135         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
5136
5137       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
5138
5139 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
5140
5141       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
5142         <ulink
5143           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>
5144     </sect2>
5145
5146
5147     <sect2 id="line-pragma">
5148       <title>LINE pragma</title>
5149
5150       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5151       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
5152       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
5153       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
5154       code.  It lets you specify the line number and filename of the
5155       original code; for example</para>
5156
5157 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
5158
5159       <para>if you'd generated the current file from something called
5160       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
5161       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
5162       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
5163       pragma.</para>
5164     </sect2>
5165
5166     <sect2 id="options-pragma">
5167       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
5168       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
5169       </indexterm>
5170       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
5171       </indexterm>
5172
5173       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
5174       additional options that are given to the compiler when compiling
5175       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
5176       details.</para>
5177
5178       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
5179         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
5180     </sect2>
5181
5182     <sect2 id="rules">
5183       <title>RULES pragma</title>
5184
5185       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
5186       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
5187     </sect2>
5188
5189     <sect2 id="specialize-pragma">
5190       <title>SPECIALIZE pragma</title>
5191
5192       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5193       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
5194       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5195
5196       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
5197       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
5198       specialised to particular types.  Thus, if you have an
5199       overloaded function:</para>
5200
5201 <programlisting>
5202   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
5203 </programlisting>
5204
5205       <para>If it is heavily used on lists with
5206       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
5207       follows:</para>
5208
5209 <programlisting>
5210   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
5211 </programlisting>
5212
5213       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
5214       be put anywhere its type signature could be put.</para>
5215
5216       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
5217       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
5218       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
5219       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
5220
5221       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
5222         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
5223         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
5224 <programlisting>
5225   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
5226 </programlisting>
5227       is valid if and only if the defintion
5228 <programlisting>
5229   f_spec :: &lt;type&gt;
5230   f_spec = f
5231 </programlisting>
5232       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
5233       for the original function, not its code):
5234 <programlisting>
5235   f :: Eq a => a -> b -> b
5236   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
5237
5238   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
5239   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
5240
5241   h :: Eq a => a -> a -> a
5242   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
5243 </programlisting>  
5244 The last of these examples will generate a 
5245 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
5246 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
5247 </para>
5248
5249 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
5250 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
5251 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
5252 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised verison of the
5253 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
5254 example is this:
5255 <programlisting>
5256 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
5257 data Arr e where
5258   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
5259   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
5260
5261 (!:) :: Arr e -> Int -> e
5262 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
5263 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
5264 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
5265 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
5266 </programlisting>
5267 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
5268 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
5269 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
5270 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
5271 <literal>(!:)</literal>,
5272 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
5273 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
5274 unrolling of the indexing function.</para>
5275 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
5276 on an ordinarily-recursive function.</para>
5277
5278       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
5279       specialised function for a given type:
5280
5281 <programlisting>
5282 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
5283 </programlisting>
5284
5285       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
5286       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
5287
5288     </sect2>
5289
5290 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
5291 <title>SPECIALIZE instance pragma
5292 </title>
5293
5294 <para>
5295 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5296 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5297 Same idea, except for instance declarations.  For example:
5298
5299 <programlisting>
5300 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
5301    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
5302    ... usual stuff ...
5303  }
5304 </programlisting>
5305 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
5306 of the instance declaration.
5307 </para>
5308 <para>
5309 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
5310 of the pragma.
5311 </para>
5312
5313 </sect2>
5314
5315     <sect2 id="unpack-pragma">
5316       <title>UNPACK pragma</title>
5317
5318       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
5319       
5320       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
5321       that it should unpack the contents of a constructor field into
5322       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
5323       example:</para>
5324
5325 <programlisting>
5326 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
5327            {-# UNPACK #-} !Float
5328 </programlisting>
5329
5330       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
5331       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
5332       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
5333       floats passed to a non-strict function for example, they will
5334       have to be reboxed (this is done automatically by the
5335       compiler).</para>
5336
5337       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
5338       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
5339       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
5340       often as possible.  For example:</para>
5341
5342 <programlisting>
5343 f :: T -&#62; Float
5344 f (T f1 f2) = f1 + f2
5345 </programlisting>
5346
5347       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
5348       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
5349       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
5350
5351       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
5352       example</para>
5353
5354 <programlisting>
5355 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
5356 </programlisting>
5357
5358       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
5359       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5360       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5361
5362 <programlisting>
5363 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5364 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5365 </programlisting>
5366
5367       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5368       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5369       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5370
5371       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5372       so it might be an idea to check the generated code with
5373       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5374
5375       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5376       which essentially has the effect of adding
5377       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5378       constructor field.</para>
5379     </sect2>
5380
5381 </sect1>
5382
5383 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5384
5385 <sect1 id="rewrite-rules">
5386 <title>Rewrite rules
5387
5388 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5389 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5390 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5391
5392 <para>
5393 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5394 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5395 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5396 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5397 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified, and (c) the
5398 <option>-fglasgow-exts</option> (<xref linkend="options-language"/>)
5399 flag is active.
5400 </para>
5401
5402 <para>
5403 Here is an example:
5404
5405 <programlisting>
5406   {-# RULES
5407         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5408   #-}
5409 </programlisting>
5410
5411 </para>
5412
5413 <sect2>
5414 <title>Syntax</title>
5415
5416 <para>
5417 From a syntactic point of view:
5418
5419 <itemizedlist>
5420 <listitem>
5421
5422 <para>
5423  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5424 </para>
5425 </listitem>
5426
5427 <listitem>
5428
5429 <para>
5430  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5431 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5432 </para>
5433 </listitem>
5434
5435 <listitem>
5436 <para>
5437 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5438 immediately after the name of the rule.  Thus:
5439 <programlisting>
5440   {-# RULES
5441         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5442   #-}
5443 </programlisting>
5444 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5445 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5446 Phase 2.
5447 </para>
5448 </listitem>
5449
5450
5451 <listitem>
5452
5453 <para>
5454  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5455 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5456 enclosing definitions.
5457 </para>
5458 </listitem>
5459
5460 <listitem>
5461
5462 <para>
5463  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5464 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5465 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5466 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5467 </para>
5468 </listitem>
5469 <listitem>
5470
5471 <para>
5472  A pattern variable may optionally have a type signature.
5473 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5474 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5475
5476 <programlisting>
5477 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5478               foldr k z (build g) = g k z
5479 </programlisting>
5480
5481 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5482
5483 </para>
5484 </listitem>
5485 <listitem>
5486
5487 <para>
5488 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5489 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5490
5491 <programlisting>
5492 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5493 "wrong2"   forall f.      f True = True
5494 </programlisting>
5495
5496 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5497 in the head.
5498 </para>
5499 </listitem>
5500 <listitem>
5501
5502 <para>
5503  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5504 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5505 </para>
5506 </listitem>
5507 <listitem>
5508
5509 <para>
5510  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5511 </para>
5512 </listitem>
5513
5514 </itemizedlist>
5515
5516 </para>
5517
5518 </sect2>
5519
5520 <sect2>
5521 <title>Semantics</title>
5522
5523 <para>
5524 From a semantic point of view:
5525
5526 <itemizedlist>
5527 <listitem>
5528
5529 <para>
5530 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5531 </para>
5532 </listitem>
5533
5534 <listitem>
5535 <para>
5536  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5537 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5538 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5539 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5540 expression by substituting for the pattern variables.
5541
5542 </para>
5543 </listitem>
5544 <listitem>
5545
5546 <para>
5547  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5548 same type.
5549
5550 </para>
5551 </listitem>
5552 <listitem>
5553
5554 <para>
5555  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5556 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5557 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5558
5559 </para>
5560 </listitem>
5561 <listitem>
5562
5563 <para>
5564  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5565 terminating.  For example:
5566
5567 <programlisting>
5568   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5569 </programlisting>
5570
5571 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5572
5573 </para>
5574 </listitem>
5575 <listitem>
5576
5577 <para>
5578  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5579
5580 </para>
5581 </listitem>
5582 <listitem>
5583 <para>
5584  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5585 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5586 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5587 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5588 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5589 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5590 </para>
5591
5592 <para>
5593 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5594 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5595 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5596 </para>
5597 </listitem>
5598 <listitem>
5599
5600 <para>
5601  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5602 For example, consider:
5603
5604 <programlisting>
5605   let s = map f
5606       t = map g
5607   in
5608   s (t xs)
5609 </programlisting>
5610
5611 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5612 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5613 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5614 not be substituted, and the rule would not fire.
5615
5616 </para>
5617 </listitem>
5618 <listitem>
5619
5620 <para>
5621  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5622 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5623 for something you can't match against it (given the simple minded
5624 matching).  So if you write the rule
5625
5626 <programlisting>
5627         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5628 </programlisting>
5629
5630 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5631 It will only match something written with explicit use of ".".
5632 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5633
5634 <programlisting>
5635 wibble f g xs
5636 </programlisting>
5637
5638 where <function>wibble</function> is defined:
5639
5640 <programlisting>
5641 wibble f g = map f . map g
5642 </programlisting>
5643
5644 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5645
5646 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5647 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5648 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5649
5650 </para>
5651 </listitem>
5652 <listitem>
5653
5654 <para>
5655  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5656 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5657 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5658 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5659 declarations.
5660 </para>
5661 </listitem>
5662
5663 </itemizedlist>
5664
5665 </para>
5666
5667 </sect2>
5668
5669 <sect2>
5670 <title>List fusion</title>
5671
5672 <para>
5673 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5674 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5675 intermediate list should be eliminated entirely.
5676 </para>
5677
5678 <para>
5679 The following are good producers:
5680
5681 <itemizedlist>
5682 <listitem>
5683
5684 <para>
5685  List comprehensions
5686 </para>
5687 </listitem>
5688 <listitem>
5689
5690 <para>
5691  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5692 </para>
5693 </listitem>
5694 <listitem>
5695
5696 <para>
5697  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5698 </para>
5699 </listitem>
5700 <listitem>
5701
5702 <para>
5703  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5704 </para>
5705 </listitem>
5706 <listitem>
5707
5708 <para>
5709  <function>++</function>
5710 </para>
5711 </listitem>
5712
5713 <listitem>
5714 <para>
5715  <function>map</function>
5716 </para>
5717 </listitem>
5718
5719 <listitem>
5720 <para>
5721 <function>take</function>, <function>filter</function>
5722 </para>
5723 </listitem>
5724 <listitem>
5725
5726 <para>
5727  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5728 </para>
5729 </listitem>
5730 <listitem>
5731
5732 <para>
5733  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5734 </para>
5735 </listitem>
5736
5737 </itemizedlist>
5738
5739 </para>
5740
5741 <para>
5742 The following are good consumers:
5743
5744 <itemizedlist>
5745 <listitem>
5746
5747 <para>
5748  List comprehensions
5749 </para>
5750 </listitem>
5751 <listitem>
5752
5753 <para>
5754  <function>array</function> (on its second argument)
5755 </para>
5756 </listitem>
5757 <listitem>
5758
5759 <para>
5760  <function>length</function>
5761 </para>
5762 </listitem>
5763 <listitem>
5764
5765 <para>
5766  <function>++</function> (on its first argument)
5767 </para>
5768 </listitem>
5769
5770 <listitem>
5771 <para>
5772  <function>foldr</function>
5773 </para>
5774 </listitem>
5775
5776 <listitem>
5777 <para>
5778  <function>map</function>
5779 </para>
5780 </listitem>
5781 <listitem>
5782
5783 <para>
5784 <function>take</function>, <function>filter</function>
5785 </para>
5786 </listitem>
5787 <listitem>
5788
5789 <para>
5790  <function>concat</function>
5791 </para>
5792 </listitem>
5793 <listitem>
5794
5795 <para>
5796  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5797 </para>
5798 </listitem>
5799 <listitem>
5800
5801 <para>
5802  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5803 will fuse with one but not the other)
5804 </para>
5805 </listitem>
5806 <listitem>
5807
5808 <para>
5809  <function>partition</function>
5810 </para>
5811 </listitem>
5812 <listitem>
5813
5814 <para>
5815  <function>head</function>
5816 </para>
5817 </listitem>
5818 <listitem>
5819
5820 <para>
5821  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5822 </para>
5823 </listitem>
5824 <listitem>
5825
5826 <para>
5827  <function>sequence&lowbar;</function>
5828 </para>
5829 </listitem>
5830 <listitem>
5831
5832 <para>
5833  <function>msum</function>
5834 </para>
5835 </listitem>
5836 <listitem>
5837
5838 <para>
5839  <function>sortBy</function>
5840 </para>
5841 </listitem>
5842
5843 </itemizedlist>
5844
5845 </para>
5846
5847  <para>
5848 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5849
5850 <programlisting>
5851 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5852 </programlisting>
5853
5854 </para>
5855
5856 <para>
5857 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5858 a lot which are not included, please tell us.
5859 </para>
5860
5861 <para>
5862 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5863 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5864 </para>
5865
5866 </sect2>
5867
5868 <sect2 id="rule-spec">
5869 <title>Specialisation
5870 </title>
5871
5872 <para>
5873 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5874 present in earlier versions of GHC.
5875 For example, suppose that:
5876
5877 <programlisting>
5878 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5879 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5880 </programlisting>
5881
5882 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5883 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5884 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5885 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5886 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5887 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5888 It used to be possible to write
5889
5890 <programlisting>
5891 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5892 </programlisting>
5893
5894 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5895
5896 <programlisting>
5897 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5898 </programlisting>
5899
5900 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5901 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5902 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5903 What is more, this rule does not need to be in the same
5904 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5905 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5906 have an original definition available to specialise).
5907 </para>
5908
5909 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5910 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5911 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5912
5913 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5914 specialisation will Win Big:
5915
5916 <programlisting>
5917 toDouble :: Real a => a -> Double
5918 toDouble = fromRational . toRational
5919
5920 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5921 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5922 </programlisting>
5923
5924 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5925 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5926 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5927 comparison.
5928 </para>
5929
5930 </sect2>
5931
5932 <sect2>
5933 <title>Controlling what's going on</title>
5934
5935 <para>
5936
5937 <itemizedlist>
5938 <listitem>
5939
5940 <para>
5941  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5942 </para>
5943 </listitem>
5944 <listitem>
5945
5946 <para>
5947  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5948 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5949 </para>
5950 </listitem>
5951 <listitem>
5952
5953 <para>
5954  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5955
5956 <programlisting>
5957         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5958         {-# INLINE build #-}
5959         build g = g (:) []
5960 </programlisting>
5961
5962 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5963 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5964 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5965 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5966
5967 </para>
5968 </listitem>
5969 <listitem>
5970
5971 <para>
5972  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5973 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5974 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5975 </para>
5976 </listitem>
5977
5978 </itemizedlist>
5979
5980 </para>
5981
5982 </sect2>
5983
5984 <sect2 id="core-pragma">
5985   <title>CORE pragma</title>
5986
5987   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5988   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5989   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5990
5991 <para>
5992   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5993   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5994   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5995   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5996   literal as an argument.  The following function definition shows an
5997   example:
5998
5999 <programlisting>
6000 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
6001 </programlisting>
6002
6003   Semantically, this is equivalent to:
6004
6005 <programlisting>
6006 g x = show x
6007 </programlisting>
6008 </para>
6009
6010 <para>
6011   However, when external for is generated (via
6012   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
6013   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
6014   The core function declaration for <function>f</function> is:
6015 </para>
6016
6017 <programlisting>
6018   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
6019                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
6020     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
6021         (%note "foo"
6022          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
6023            {GHCziShow.ZCDShow
6024             (tpl1::GHCziBase.Int ->
6025                    a ->
6026                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6027 r)
6028             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
6029             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
6030                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6031 r) ->
6032               tpl2})
6033         (%note "foo"
6034          eta);
6035 </programlisting>
6036
6037 <para>
6038   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
6039   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
6040   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
6041   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
6042   <varname>x</varname>).
6043 </para>
6044
6045 </sect2>
6046
6047 </sect1>
6048
6049 <sect1 id="special-ids">
6050 <title>Special built-in functions</title>
6051 <para>GHC has a few built-in funcions with special behaviour, 
6052 described in this section.  All are exported by
6053 <literal>GHC.Exts</literal>.</para>
6054
6055 <sect2> <title>The <literal>inline</literal> function </title>
6056 <para>
6057 The <literal>inline</literal> function is somewhat experimental.
6058 <programlisting>
6059   inline :: a -> a
6060 </programlisting>
6061 The call <literal>(inline f)</literal> arranges that <literal>f</literal> 
6062 is inlined, regardless of its size.  More precisely, the call
6063 <literal>(inline f)</literal> rewrites to the right-hand side of <literal>f</literal>'s 
6064 definition.  
6065 This allows the programmer to control inlining from 
6066 a particular <emphasis>call site</emphasis>
6067 rather than the <emphasis>definition site</emphasis> of the function 
6068 (c.f. <literal>INLINE</literal> pragmas <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>).
6069 </para>
6070 <para>
6071 This inlining occurs regardless of the argument to the call
6072 or the size of <literal>f</literal>'s definition; it is unconditional.
6073 The main caveat is that <literal>f</literal>'s definition must be
6074 visible to the compiler.  That is, <literal>f</literal> must be
6075 let-bound in the current scope.
6076 If no inlining takes place, the <literal>inline</literal> function
6077 expands to the identity function in Phase zero; so its use imposes
6078 no overhead.</para>
6079
6080 <para> If the function is defined in another
6081 module, GHC only exposes its inlining in the interface file if the
6082 function is sufficiently small that it <emphasis>might</emphasis> be
6083 inlined by the automatic mechanism.  There is currently no way to tell
6084 GHC to expose arbitrarily-large functions in the interface file.  (This
6085 shortcoming is something that could be fixed, with some kind of pragma.)
6086 </para>
6087 </sect2>
6088
6089 <sect2> <title>The <literal>lazy</literal> function </title>
6090 <para>
6091 The <literal>lazy</literal> function restrains strictness analysis a little:
6092 <programlisting>
6093   lazy :: a -> a
6094 </programlisting>
6095 The call <literal>(lazy e)</literal> means the same as <literal>e</literal>, 
6096 but <literal>lazy</literal> has a magical property so far as strictness
6097 analysis is concerned: it is lazy in its first argument,
6098 even though its semantics is strict.  After strictness analysis has run,
6099 calls to <literal>lazy</literal> are inlined to be the identity function.
6100 </para>
6101 <para>
6102 This behaviour is occasionally useful when controlling evaluation order.
6103 Notably, <literal>lazy</literal> is used in the library definition of
6104 <literal>Control.Parallel.par</literal>:
6105 <programlisting>
6106   par :: a -> b -> b
6107   par x y = case (par# x) of { _ -> lazy y }
6108 </programlisting>
6109 If <literal>lazy</literal> were not lazy, <literal>par</literal> would
6110 look strict in <literal>y</literal> which would defeat the whole 
6111 purpose of <literal>par</literal>.
6112 </para>
6113 </sect2>
6114
6115 <sect2> <title>The <literal>unsafeCoerce#</literal> function </title>
6116 <para>
6117 The function <literal>unsafeCoerce#</literal> allows you to side-step the
6118 typechecker entirely.  It has type
6119 <programlisting>
6120   unsafeCoerce# :: a -> b
6121 </programlisting>
6122 That is, it allows you to coerce any type into any other type.  If you use this
6123 function, you had better get it right, otherwise segmentation faults await. 
6124 It is generally used when you want to write a program that you know is
6125 well-typed, but where Haskell's type system is not expressive enough to prove
6126 that it is well typed.
6127 </para>
6128 </sect2>
6129 </sect1>
6130
6131
6132 <sect1 id="generic-classes">
6133 <title>Generic classes</title>
6134
6135     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
6136     GHC 5.02).</para>
6137
6138 <para>
6139 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
6140 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
6141 An example will give the idea:
6142 </para>
6143
6144 <programlisting>
6145   import Generics
6146
6147   class Bin a where
6148     toBin   :: a -> [Int]
6149     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
6150   
6151     toBin {| Unit |}    Unit      = []
6152     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
6153     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
6154     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
6155   
6156     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
6157     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
6158     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
6159     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
6160                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
6161 </programlisting>
6162 <para>
6163 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
6164 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
6165 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
6166 </para>
6167 <programlisting>
6168   data Unit    = Unit
6169   data a :+: b = Inl a | Inr b
6170   data a :*: b = a :*: b
6171 </programlisting>
6172 <para>
6173 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
6174 <programlisting>
6175   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
6176   instance Bin a => Bin [a]
6177 </programlisting>
6178 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
6179 where clause and over-ride whichever methods you please.
6180 </para>
6181
6182     <sect2>
6183       <title> Using generics </title>
6184       <para>To use generics you need to</para>
6185       <itemizedlist>
6186         <listitem>
6187           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
6188                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
6189                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
6190                 available.  </para>
6191         </listitem>
6192         <listitem>
6193           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
6194           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
6195           scope the data types <literal>Unit</literal>,
6196           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
6197           don't need this import if you don't mention these types
6198           explicitly; for example, if you are simply giving instance
6199           declarations.)</para>
6200         </listitem>
6201       </itemizedlist>
6202     </sect2>
6203
6204 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
6205 <para>
6206 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
6207 can be written infix (indeed, you can now use
6208 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
6209 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
6210 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
6211 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
6212 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
6213 anticipate wanting).
6214 </para>
6215 </sect2>
6216
6217 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
6218 <para>
6219 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
6220 is one that is defined using type patterns as above.
6221 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
6222 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
6223 generic default method.
6224 </para>
6225
6226 <para>
6227 Restrictions:
6228 <itemizedlist>
6229 <listitem>
6230 <para>
6231 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
6232 field labels.
6233 </para>
6234 </listitem>
6235
6236 <listitem>
6237 <para>
6238 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
6239 multi-parameter class.
6240 </para>
6241 </listitem>
6242
6243 <listitem>
6244 <para>
6245 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
6246 without.  So this is illegal:
6247 <programlisting>
6248   class Foo a where
6249     op :: a -> (a, Bool)
6250     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
6251     op x               = (x,    False)
6252 </programlisting>
6253 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
6254 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
6255 </para>
6256 </listitem>
6257
6258 <listitem>
6259 <para>
6260 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
6261 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:
6262 <programlisting>
6263   class Foo a where
6264     op :: a -> Bool
6265     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
6266     ...
6267 </programlisting>
6268 </para>
6269 </listitem>
6270
6271 <listitem>
6272 <para>
6273 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
6274 <programlisting>
6275        a :+: b
6276        a :*: b
6277        Unit
6278 </programlisting>
6279 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
6280 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
6281 must use the same type variables.  So this is illegal:
6282 <programlisting>
6283   class Foo a where
6284     op :: a -> Bool
6285     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
6286     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
6287 </programlisting>
6288 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
6289 So this too is illegal:
6290 <programlisting>
6291   class Foo a where
6292     op1 :: a -> Bool
6293     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
6294
6295     op2 :: a -> Bool
6296     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
6297 </programlisting>
6298 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
6299 into a single generic instance declaration.)
6300 </para>
6301 </listitem>
6302
6303 <listitem>
6304 <para>
6305 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
6306 </para>
6307 </listitem>
6308
6309 <listitem>
6310 <para>
6311 The type for a generic method can be built only from:
6312   <itemizedlist>
6313   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
6314   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
6315   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
6316   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
6317   </itemizedlist>
6318 Here are some example type signatures for generic methods:
6319 <programlisting>
6320     op1 :: a -> Bool
6321     op2 :: Bool -> (a,Bool)
6322     op3 :: [Int] -> a -> a
6323     op4 :: [a] -> Bool
6324 </programlisting>
6325 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
6326 inside a list.  
6327 </para>
6328 <para>
6329 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
6330 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
6331 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
6332 to the ones that are allowed.</para>
6333 </listitem>
6334
6335 <listitem>
6336 <para>
6337 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
6338 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
6339 do so if
6340   <itemizedlist>
6341   <listitem>
6342   <para>
6343   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
6344   </para>
6345   </listitem>
6346   <listitem>
6347   <para>
6348   No constructor of the instance type has unboxed fields.
6349   </para>
6350   </listitem>
6351   </itemizedlist>
6352 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
6353 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
6354 provided you give explicit code to override any generic default methods.
6355 </para>
6356 </listitem>
6357
6358 </itemizedlist>
6359 </para>
6360
6361 <para>
6362 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
6363 what the compiler does with generic declarations.
6364 </para>
6365
6366 </sect2>
6367
6368 <sect2> <title> Another example </title>
6369 <para>
6370 Just to finish with, here's another example I rather like:
6371 <programlisting>
6372   class Tag a where
6373     nCons :: a -> Int
6374     nCons {| Unit |}    _ = 1
6375     nCons {| a :*: b |} _ = 1
6376     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
6377   
6378     tag :: a -> Int
6379     tag {| Unit |}    _       = 1
6380     tag {| a :*: b |} _       = 1   
6381     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
6382     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
6383 </programlisting>
6384 </para>
6385 </sect2>
6386 </sect1>
6387
6388 <sect1 id="monomorphism">
6389 <title>Control over monomorphism</title>
6390
6391 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
6392 carried out at let and where bindings.
6393 </para>
6394
6395 <sect2>
6396 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
6397           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
6398
6399 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
6400 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
6401 4.5.5</ulink>
6402 of the Haskell Report)
6403 can be completely switched off by
6404 <option>-fno-monomorphism-restriction</option>.
6405 </para>
6406 </sect2>
6407
6408 <sect2>
6409 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
6410           <indexterm><primary><option>-fno-mono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6411           <indexterm><primary><option>-fmono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6412
6413           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
6414           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
6415             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
6416             and is not a simple variable.  For example:
6417 <programlisting>
6418   f x = x                    -- Not a pattern binding
6419   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
6420   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
6421
6422   (g,h) = e                  -- A pattern binding
6423   (f) = e                    -- A pattern binding
6424   [x] = e                    -- A pattern binding
6425 </programlisting>
6426 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
6427 default</emphasis>.  Use <option>-fno-mono-pat-binds</option> to recover the
6428 standard behaviour.
6429 </para>
6430 </sect2>
6431 </sect1>
6432
6433
6434
6435 <!-- Emacs stuff:
6436      ;;; Local Variables: ***
6437      ;;; mode: xml ***
6438      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
6439      ;;; End: ***
6440  -->
6441