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