Fix typos.
[ghc-hetmet.git] / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>,<option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120         </term>
121         <listitem>
122           <para> These two flags control how generalisation is done.
123             See <xref linkend="monomorphism"/>.
124           </para>
125         </listitem>
126       </varlistentry>
127
128       <varlistentry>
129         <term>
130           <option>-fextended-default-rules</option>:
131           <indexterm><primary><option>-fextended-default-rules</option></primary></indexterm>
132         </term>
133         <listitem>
134           <para> Use GHCi's extended default rules in a regular module (<xref linkend="extended-default-rules"/>).
135           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
136           flag. </para>
137         </listitem>
138       </varlistentry>
139
140       <varlistentry>
141         <term>
142           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
143           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
144         </term>
145         <term>
146           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
147           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
148         </term>
149         <term>
150           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
151           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
152         </term>
153         <term>
154           <option>-fcontext-stack=N</option>
155           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
159           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-finline-phase</option>
166           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
170           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171         </listitem>
172       </varlistentry>
173
174       <varlistentry>
175         <term>
176           <option>-farrows</option>
177           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
178         </term>
179         <listitem>
180           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
181           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
182
183           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
184           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
185           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
186           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
187
188           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
189           <literal>|)</literal>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term>
195           <option>-fgenerics</option>
196           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
197         </term>
198         <listitem>
199           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
200           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
201         </listitem>
202       </varlistentry>
203
204       <varlistentry>
205         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
206         <listitem>
207           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
208           option</primary></indexterm> GHC normally imports
209           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
210           rather it didn't, then give it a
211           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
212           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
213           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
214           namespace is flat, and you must not conflict with any
215           Prelude module.)</para>
216
217           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
218           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
219           Prelude types and values, as specified by the Haskell
220           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
221           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
222           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
223           translation for list comprehensions continues to use
224           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
225
226           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
227           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
228           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
229         </listitem>
230       </varlistentry>
231
232       <varlistentry>
233         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
234         <listitem>
235           <para>Enables implicit parameters (see <xref
236           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
237           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
238
239           <para>Syntax stolen:
240           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
241           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
242         </listitem>
243       </varlistentry>
244
245       <varlistentry>
246         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
247         <listitem>
248           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
249           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
250           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
251         </listitem>
252       </varlistentry>
253
254       <varlistentry>
255         <term><option>-fth</option></term>
256         <listitem>
257           <para>Enables Template Haskell (see <xref
258           linkend="template-haskell"/>).  This flag must
259           be given explicitly; it is no longer implied by
260           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
261
262           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
263           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
264           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
265           <literal>$(</literal>,
266           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
267         </listitem>
268       </varlistentry>
269
270     </variablelist>
271   </sect1>
272
273 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
274 <!--    included from primitives.sgml  -->
275 <!-- &primitives; -->
276 <sect1 id="primitives">
277   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
278
279 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
280 While you really can use this stuff to write fast code,
281   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
282   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
283   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
284   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
285   about it.</para>
286
287 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
288 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
289 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
290 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
291
292 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
293 work over those types, is held in the file
294 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
295 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
296 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
297
298 <para> Indeed,
299 the result of such processing is part of the description of the 
300  <ulink
301       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
302          Core language</ulink>.
303 So that document is a good place to look for a type-set version.
304 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
305 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
306 we could include the results here in the User Guide.</para>
307
308 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
309   
310 <sect2 id="glasgow-unboxed">
311 <title>Unboxed types
312 </title>
313
314 <para>
315 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
316 </para>
317
318 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
319 that values of that type are represented by a pointer to a heap
320 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
321 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
322 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
323 allocation are involved.
324 </para>
325
326 <para>
327 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
328 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
329 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
330 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
331 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
332 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
333 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
334 know and love&mdash;usually one instruction.
335 </para>
336
337 <para>
338 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
339 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
340 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
341 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
342 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
343 </para>
344
345 <para>
346 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
347 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
348 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
349 a primitive value might be represented by a pointer to a
350 heap-allocated object.  Examples include
351 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
352 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
353 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
354 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
355 represents a primitive value, then it really does point to that value:
356 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
357 other end of the pointer than the primitive value.
358 A numerically-intensive program using unboxed types can
359 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
360 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
361 </para>
362
363 <para>
364 There are some restrictions on the use of primitive types:
365 <itemizedlist>
366 <listitem><para>The main restriction
367 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
368 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
369 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
370 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
371 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
372 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
373 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
374 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
375 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
376 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
377 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
378 </para>
379 </listitem>
380 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
381 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
382 </para></listitem>
383 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
384 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
385 </para></listitem>
386 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
387 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
388 pattern-match
389 to become strict.  For example:
390 <programlisting>
391   data Foo = Foo Int Int#
392
393   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
394 </programlisting>
395 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
396 match
397 is strict, and the program behaves as if you had written
398 <programlisting>
399   data Foo = Foo Int Int#
400
401   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
402 </programlisting>
403 </para>
404 </listitem>
405 </itemizedlist>
406 </para>
407
408 </sect2>
409
410 <sect2 id="unboxed-tuples">
411 <title>Unboxed Tuples
412 </title>
413
414 <para>
415 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
416 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
417 unboxed tuple looks like this:
418 </para>
419
420 <para>
421
422 <programlisting>
423 (# e_1, ..., e_n #)
424 </programlisting>
425
426 </para>
427
428 <para>
429 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
430 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
431 the same.
432 </para>
433
434 <para>
435 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
436 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
437 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
438 components are put directly into registers or on the stack; the
439 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
440 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
441 tuples.
442 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
443 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
444 </para>
445
446 <para>
447 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
448 <itemizedlist>
449 <listitem>
450
451 <para>
452 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
453 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
454 structures or passed to polymorphic functions.
455
456 </para>
457 </listitem>
458 <listitem>
459
460 <para>
461 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
462 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
463
464
465 <programlisting>
466   data Foo = Foo (# Int, Int #)
467
468   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
469   f x = x
470
471   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
472   g (# a,b #) = a
473
474   h x = let y = (# x,x #) in ...
475 </programlisting>
476 </para>
477 </listitem>
478 </itemizedlist>
479 </para>
480 <para>
481 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
482 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
483 <programlisting>
484   f x y = (# x+1, y-1 #)
485   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
486 </programlisting>
487 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
488 <programlisting>
489   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
490 </programlisting>
491 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
492 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
493 above example desugars like this:
494 <programlisting>
495   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
496             p = fst t
497             q = snd t
498         in ..body..
499 </programlisting>
500 Indeed, the bindings can even be recursive.
501 </para>
502
503 </sect2>
504 </sect1>
505
506
507 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
508
509 <sect1 id="syntax-extns">
510 <title>Syntactic extensions</title>
511  
512     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
513
514     <sect2 id="hierarchical-modules">
515       <title>Hierarchical Modules</title>
516
517       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
518       names: a module name is allowed to contain a dot
519       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
520       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
521       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
522       more flexible hierarchy of modules.</para>
523
524       <para>This extension has very little impact on the language
525       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
526       qualified, so you can just think of the fully qualified module
527       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
528       means that the full module name must be given after the
529       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
530       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
531       begin</para>
532
533 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
534
535
536       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
537       keyword to save some typing when using qualified names with
538       hierarchical modules.  For example:</para>
539
540 <programlisting>
541 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
542 </programlisting>
543
544       <para>For details on how GHC searches for source and interface
545       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
546       linkend="search-path"/>.</para>
547
548       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
549       hierarchically; see the accompanying library documentation.
550       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
551       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
552       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
553       current status of that project.  For more details, see <ulink
554       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
555       Libraries</ulink>.</para>
556
557     </sect2>
558
559     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
560
561 <sect2 id="pattern-guards">
562 <title>Pattern guards</title>
563
564 <para>
565 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
566 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ulink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
567 </para>
568
569 <para>
570 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
571 lookup operation:
572
573 <programlisting>
574 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
575 </programlisting>
576
577 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
578 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
579 </para>
580
581 <programlisting>
582 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
583 | otherwise  = var1 + var2
584 where
585   m1 = lookup env var1
586   m2 = lookup env var2
587   ok1 = maybeToBool m1
588   ok2 = maybeToBool m2
589   val1 = expectJust m1
590   val2 = expectJust m2
591 </programlisting>
592
593 <para>
594 The auxiliary functions are 
595 </para>
596
597 <programlisting>
598 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
599 maybeToBool (Just x) = True
600 maybeToBool Nothing  = False
601
602 expectJust :: Maybe a -&gt; a
603 expectJust (Just x) = x
604 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
605 </programlisting>
606
607 <para>
608 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
609 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
610 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
611 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
612 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
613 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
614 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
615 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
616 </para>
617
618 <para>
619 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
620 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
621 to write clunky would be to use case expressions:
622 </para>
623
624 <programlisting>
625 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
626   Nothing -&gt; fail
627   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
628     Nothing -&gt; fail
629     Just val2 -&gt; val1 + val2
630 where
631   fail = var1 + var2
632 </programlisting>
633
634 <para>
635 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
636 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
637 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
638 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
639 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
640 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
641 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
642 tends to become more and more indented. 
643 </para>
644
645 <para>
646 Here is how I would write clunky:
647 </para>
648
649 <programlisting>
650 clunky env var1 var1
651   | Just val1 &lt;- lookup env var1
652   , Just val2 &lt;- lookup env var2
653   = val1 + val2
654 ...other equations for clunky...
655 </programlisting>
656
657 <para>
658 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
659 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
660 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
661 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
662 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
663 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
664 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
665 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
666 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
667 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
668 </para>
669
670 <para>
671 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
672 with among the pattern guards.  For example:
673 </para>
674
675 <programlisting>
676 f x | [y] &lt;- x
677     , y > 3
678     , Just z &lt;- h y
679     = ...
680 </programlisting>
681
682 <para>
683 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
684 qualifier list has just one element, a boolean expression.
685 </para>
686 </sect2>
687
688     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
689
690 <sect2 id="mdo-notation">
691 <title>The recursive do-notation
692 </title>
693
694 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
695 "A recursive do for Haskell",
696 Levent Erkok, John Launchbury",
697 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
698 </para>
699 <para>
700 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
701 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
702 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
703 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
704 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
705 </para>
706 <para>
707 Here is a simple (yet contrived) example:
708 </para>
709 <programlisting>
710 import Control.Monad.Fix
711
712 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
713                return xs
714 </programlisting>
715 <para>
716 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
717 </para>
718
719 <para>
720 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
721 </para>
722 <programlisting>
723 class Monad m => MonadFix m where
724    mfix :: (a -> m a) -> m a
725 </programlisting>
726 <para>
727 The function <literal>mfix</literal>
728 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
729 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
730 For details, see the above mentioned reference.
731 </para>
732 <para>
733 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
734 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
735 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
736 </para>
737 <para>
738 There are three important points in using the recursive-do notation:
739 <itemizedlist>
740 <listitem><para>
741 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
742 than <literal>do</literal>).
743 </para></listitem>
744
745 <listitem><para>
746 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
747 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
748 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
749 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
750 </para></listitem>
751
752 <listitem><para>
753 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
754 </para></listitem>
755 </itemizedlist>
756 </para>
757
758 <para>
759 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
760 contains up to date information on recursive monadic bindings.
761 </para>
762
763 <para>
764 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
765 of the existing documents) used the name
766 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
767 This name is not supported by GHC.
768 </para>
769
770 </sect2>
771
772
773    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
774
775   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
776     <title>Parallel List Comprehensions</title>
777     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
778     </indexterm>
779     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
780     </indexterm>
781
782     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
783     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
784     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
785     extend this to include the zipWith family.</para>
786
787     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
788     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
789     example, the following zips together two lists:</para>
790
791 <programlisting>
792    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
793 </programlisting>
794
795     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
796     zip, in that the resulting list will have the same length as the
797     shortest branch.</para>
798
799     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
800     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
801
802     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
803
804 <programlisting>
805    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
806        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
807        ... 
808    ] 
809 </programlisting>
810
811     <para>This will be translated to: </para>
812
813 <programlisting>
814    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
815                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
816                                          ... 
817    ] 
818 </programlisting>
819
820     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
821     branches.</para>
822
823   </sect2>
824
825 <sect2 id="rebindable-syntax">
826 <title>Rebindable syntax</title>
827
828
829       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
830       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
831       with a home-grown version, for example.</para>
832
833             <para>You may want to define your own numeric class
834             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
835             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
836             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
837             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
838             the following pieces of built-in syntax to refer to
839             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
840             versions:
841
842             <itemizedlist>
843               <listitem>
844                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
845                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
846                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
847 </para> </listitem>         
848
849       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
850           except that the translation is 
851               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
852 </para> </listitem>         
853
854           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
855               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
856 </para> </listitem>         
857
858           <listitem><para>The subtraction operation, and the
859           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
860               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
861               </para></listitem>
862
863               <listitem>
864                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
865                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
866                 patterns, and expressions.
867               </para></listitem>
868
869               <listitem>
870           <para>"Do" notation is translated using whatever
871               functions <literal>(>>=)</literal>,
872               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
873               are in scope (not the Prelude
874               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
875               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
876
877               <listitem>
878                 <para>Arrow
879                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
880                 uses whatever <literal>arr</literal>,
881                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
882                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
883                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
884                 other constructs, the types of these functions must match the
885                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
886                 to use this, ask!
887               </para></listitem>
888             </itemizedlist>
889 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
890 even if that is a little unexpected. For emample, the 
891 static semantics of the literal <literal>368</literal>
892 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
893 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
894 <programlisting>
895 fromInteger :: Integer -> Integer
896 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
897 fromInteger :: Num a => a -> Integer
898 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
899 </programlisting>
900 </para>
901                 
902              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
903              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
904              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
905              you should be all right.</para>
906
907 </sect2>
908 </sect1>
909
910
911 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
912 <sect1 id="type-extensions">
913 <title>Type system extensions</title>
914
915
916 <sect2>
917 <title>Data types and type synonyms</title>
918
919 <sect3 id="nullary-types">
920 <title>Data types with no constructors</title>
921
922 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
923 a data type with no constructors.  For example:</para>
924
925 <programlisting>
926   data S      -- S :: *
927   data T a    -- T :: * -> *
928 </programlisting>
929
930 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
931 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
932 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
933 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
934
935 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
936 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
937 </sect3>
938
939 <sect3 id="infix-tycons">
940 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
941
942 <para>
943 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
944 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
945 <itemizedlist>
946 <listitem><para>
947   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
948   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
949   </para></listitem>
950 <listitem><para>
951   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
952   if you want further arguments.  E.g.
953 <screen>
954   data a :*: b = Foo a b
955   type a :+: b = Either a b
956   class a :=: b where ...
957
958   data (a :**: b) x = Baz a b x
959   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
960 </screen>
961   </para></listitem>
962 <listitem><para>
963   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
964   <screen>
965         x :: Int :*: Bool
966         f :: (a :=: b) => a -> b
967   </screen>
968   </para></listitem>
969 <listitem><para>
970   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
971   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
972   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
973   parenthesised.  For example:
974 <programlisting>
975    type T (+) = Int + Int
976    f :: T Either
977    f = Left 3
978  
979    liftA2 :: Arrow (~>)
980           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
981    liftA2 = ...
982 </programlisting>
983   </para></listitem>
984 <listitem><para>
985   Back-quotes work
986   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
987   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
988   </para></listitem>
989 <listitem><para>
990   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
991   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
992   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
993 <screen>
994   infixl 7 T, :*:
995 </screen>
996   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
997   and similarly for <literal>:*:</literal>.
998   <literal>Int `a` Bool</literal>.
999   </para></listitem>
1000 <listitem><para>
1001   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1002   </para></listitem>
1003
1004 </itemizedlist>
1005 </para>
1006 </sect3>
1007
1008 <sect3 id="type-synonyms">
1009 <title>Liberalised type synonyms</title>
1010
1011 <para>
1012 Type synonyms are like macros at the type level, and
1013 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1014 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1015 <itemizedlist>
1016 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1017 in a type synonym, thus:
1018 <programlisting>
1019   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1020
1021   f :: Discard a
1022   f x y = (x, show y)
1023
1024   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1025   g f = f 3 True
1026 </programlisting>
1027 </para>
1028 </listitem>
1029
1030 <listitem><para>
1031 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1032 <programlisting>
1033   type Pr = (# Int, Int #)
1034
1035   h :: Int -> Pr
1036   h x = (# x, x #)
1037 </programlisting>
1038 </para></listitem>
1039
1040 <listitem><para>
1041 You can apply a type synonym to a forall type:
1042 <programlisting>
1043   type Foo a = a -> a -> Bool
1044  
1045   f :: Foo (forall b. b->b)
1046 </programlisting>
1047 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1048 <programlisting>
1049   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1050 </programlisting>
1051 </para></listitem>
1052
1053 <listitem><para>
1054 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1055 <programlisting>
1056   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1057   type Id x = x
1058   
1059   foo :: Generic Id []
1060 </programlisting>
1061 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1062 <programlisting>
1063   foo :: forall x. x -> [x]
1064 </programlisting>
1065 </para></listitem>
1066
1067 </itemizedlist>
1068 </para>
1069
1070 <para>
1071 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1072 could be changed.)
1073 </para>
1074 <para>
1075 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1076 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1077 <itemizedlist>
1078 <listitem><para>
1079 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1080 </para></listitem>
1081 <listitem><para>
1082 Unboxed tuple on left of an arrow.
1083 </para></listitem>
1084 <listitem><para>
1085 Partially-applied type synonym.
1086 </para></listitem>
1087 </itemizedlist>
1088 So, for example,
1089 this will be rejected:
1090 <programlisting>
1091   type Pr = (# Int, Int #)
1092
1093   h :: Pr -> Int
1094   h x = ...
1095 </programlisting>
1096 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1097 </para>
1098 </sect3>
1099
1100
1101 <sect3 id="existential-quantification">
1102 <title>Existentially quantified data constructors
1103 </title>
1104
1105 <para>
1106 The idea of using existential quantification in data type declarations
1107 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1108 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1109 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1110 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1111 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1112 It's been in Lennart
1113 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1114 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1115 </para>
1116
1117 <para>
1118
1119 <programlisting>
1120   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1121            | Nil
1122 </programlisting>
1123
1124 </para>
1125
1126 <para>
1127 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1128 </para>
1129
1130 <para>
1131
1132 <programlisting>
1133   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1134   Nil   :: Foo
1135 </programlisting>
1136
1137 </para>
1138
1139 <para>
1140 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1141 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1142 For example, the following expression is fine:
1143 </para>
1144
1145 <para>
1146
1147 <programlisting>
1148   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1149 </programlisting>
1150
1151 </para>
1152
1153 <para>
1154 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1155 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1156 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1157 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1158 </para>
1159
1160 <para>
1161 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1162 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1163 </para>
1164
1165 <para>
1166
1167 <programlisting>
1168   f (MkFoo val fn) = ???
1169 </programlisting>
1170
1171 </para>
1172
1173 <para>
1174 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1175 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1176 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1177 </para>
1178
1179 <para>
1180
1181 <programlisting>
1182   f :: Foo -> Bool
1183   f (MkFoo val fn) = fn val
1184 </programlisting>
1185
1186 </para>
1187
1188 <para>
1189 What this allows us to do is to package heterogenous values
1190 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1191 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1192 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1193 </para>
1194
1195 <sect4 id="existential">
1196 <title>Why existential?
1197 </title>
1198
1199 <para>
1200 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1201 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1202 </para>
1203
1204 <para>
1205
1206 <programlisting>
1207   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1208 </programlisting>
1209
1210 </para>
1211
1212 <para>
1213 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1214 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1215 adding a new existential quantification construct.
1216 </para>
1217
1218 </sect4>
1219
1220 <sect4>
1221 <title>Type classes</title>
1222
1223 <para>
1224 An easy extension is to allow
1225 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1226 </para>
1227
1228 <para>
1229
1230 <programlisting>
1231 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1232          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1233 </programlisting>
1234
1235 </para>
1236
1237 <para>
1238 The two constructors have the types you'd expect:
1239 </para>
1240
1241 <para>
1242
1243 <programlisting>
1244 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1245 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1246 </programlisting>
1247
1248 </para>
1249
1250 <para>
1251 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1252 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1253 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1254 So this program is legal:
1255 </para>
1256
1257 <para>
1258
1259 <programlisting>
1260   f :: Baz -> String
1261   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1262                | otherwise = "No"
1263   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1264 </programlisting>
1265
1266 </para>
1267
1268 <para>
1269 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1270 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1271 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1272 extract it on pattern matching.
1273 </para>
1274
1275 <para>
1276 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1277 universal quantification earlier.
1278 </para>
1279
1280 </sect4>
1281
1282 <sect4>
1283 <title>Record Constructors</title>
1284
1285 <para>
1286 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1287
1288 <programlisting>
1289 data Counter a = forall self. NewCounter
1290     { _this    :: self
1291     , _inc     :: self -> self
1292     , _display :: self -> IO ()
1293     , tag      :: a
1294     }
1295 </programlisting>
1296 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1297 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1298 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1299 <literal>_inc</literal> or <literal>_output</literal> as functions will raise a
1300 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1301 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1302 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1303 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1304 </para>
1305
1306 <para>
1307 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1308
1309 <programlisting>
1310 inc :: Counter a -> Counter a
1311 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1312     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1313
1314 display :: Counter a -> IO ()
1315 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1316 </programlisting>
1317
1318 Now we can define counters with different underlying implementations:
1319
1320 <programlisting>
1321 counterA :: Counter String 
1322 counterA = NewCounter
1323     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1324
1325 counterB :: Counter String 
1326 counterB = NewCounter
1327     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1328
1329 main = do
1330     display (inc counterA)         -- prints "1"
1331     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1332 </programlisting>
1333
1334 In GADT declarations (see <xref linkend="gadt"/>), the explicit
1335 <literal>forall</literal> may be omitted.  For example, we can express
1336 the same <literal>Counter a</literal> using GADT:
1337
1338 <programlisting>
1339 data Counter a where
1340     NewCounter { _this    :: self
1341                , _inc     :: self -> self
1342                , _display :: self -> IO ()
1343                , tag      :: a
1344                }
1345         :: Counter a
1346 </programlisting>
1347
1348 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1349 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1350
1351 <programlisting>
1352 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1353 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1354 setTag obj t = obj{ tag = t }
1355 </programlisting>
1356
1357 </para>
1358
1359 </sect4>
1360
1361
1362 <sect4>
1363 <title>Restrictions</title>
1364
1365 <para>
1366 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1367 constructors can be use.
1368 </para>
1369
1370 <para>
1371
1372 <itemizedlist>
1373 <listitem>
1374
1375 <para>
1376  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1377 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1378 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1379 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1380
1381
1382 <programlisting>
1383 f1 (MkFoo a f) = a
1384 </programlisting>
1385
1386
1387 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1388 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1389 ask what type <function>f1</function> has:
1390
1391
1392 <programlisting>
1393   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1394 </programlisting>
1395
1396
1397 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1398 this:
1399
1400
1401 <programlisting>
1402   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1403 </programlisting>
1404
1405
1406 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1407
1408
1409 <programlisting>
1410   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1411 </programlisting>
1412
1413
1414 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1415 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1416 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1417
1418
1419 </para>
1420 </listitem>
1421 <listitem>
1422
1423 <para>
1424 You can't pattern-match on an existentially quantified
1425 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1426 bindings. So this is illegal:
1427
1428
1429 <programlisting>
1430   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1431 </programlisting>
1432
1433 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1434
1435 <programlisting>
1436   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1437 </programlisting>
1438
1439 In general, you can only pattern-match
1440 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1441 in the patterns of a function definition.
1442
1443 The reason for this restriction is really an implementation one.
1444 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1445 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1446 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1447 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1448 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1449 annoying it is.
1450
1451 </para>
1452 </listitem>
1453 <listitem>
1454
1455 <para>
1456 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1457 declarations.  So this is illegal:
1458
1459
1460 <programlisting>
1461   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1462 </programlisting>
1463
1464
1465 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1466 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1467 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1468 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1469 You can get just the same efficiency and effect by using
1470 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1471 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1472 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1473 because the <literal>data</literal> version does carry an
1474 implementation cost, but single-field existentially quantified
1475 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1476 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1477 are convincing reasons to change it.
1478
1479
1480 </para>
1481 </listitem>
1482 <listitem>
1483
1484 <para>
1485  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1486 data type with existentially quantified data constructors.
1487
1488 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1489
1490 <programlisting>
1491 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1492 </programlisting>
1493
1494 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1495 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1496
1497 <programlisting>
1498 instance Eq T where
1499   (MkT a) == (MkT b) = ???
1500 </programlisting>
1501
1502 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1503 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1504 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1505 declarations.  Define your own instances!
1506 </para>
1507 </listitem>
1508
1509 </itemizedlist>
1510
1511 </para>
1512
1513 </sect4>
1514 </sect3>
1515
1516 </sect2>
1517
1518
1519
1520 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1521 <title>Class declarations</title>
1522
1523 <para>
1524 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
1525 There's lots of background in the paper <ulink
1526 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1527 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1528 Jones, Erik Meijer).
1529 </para>
1530 <para>
1531 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
1532 </para>
1533
1534 <sect3>
1535 <title>Multi-parameter type classes</title>
1536 <para>
1537 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
1538
1539
1540 <programlisting>
1541   class Collection c a where
1542     union :: c a -> c a -> c a
1543     ...etc.
1544 </programlisting>
1545
1546 </para>
1547 </sect3>
1548
1549 <sect3>
1550 <title>The superclasses of a class declaration</title>
1551
1552 <para>
1553 There are no restrictions on the context in a class declaration
1554 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1555 be acyclic.  So these class declarations are OK:
1556
1557
1558 <programlisting>
1559   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1560     ...
1561
1562   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1563     lift :: m a -> (t m) a
1564 </programlisting>
1565
1566
1567 </para>
1568 <para>
1569 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
1570 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1571 this is OK:
1572
1573
1574 <programlisting>
1575   class C a where {
1576     op :: D b => a -> b -> b
1577   }
1578
1579   class C a => D a where { ... }
1580 </programlisting>
1581
1582
1583 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1584 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1585 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1586 </para>
1587 </sect3>
1588
1589
1590
1591
1592 <sect3 id="class-method-types">
1593 <title>Class method types</title>
1594
1595 <para>
1596 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1597 class type variable, thus:
1598 <programlisting>
1599   class Seq s a where
1600     fromList :: [a] -> s a
1601     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1602 </programlisting>
1603 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1604 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1605 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1606 GHC lifts this restriction.
1607 </para>
1608
1609
1610 </sect3>
1611 </sect2>
1612
1613 <sect2 id="functional-dependencies">
1614 <title>Functional dependencies
1615 </title>
1616
1617 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1618 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1619 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1620 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1621 .
1622 </para>
1623 <para>
1624 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1625 class declaration;  e.g. 
1626 <programlisting>
1627   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1628
1629   class Foo a b c | a b -> c where ...
1630 </programlisting>
1631 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1632 </para>
1633
1634 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
1635 <para>
1636 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
1637 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1638 from the free variables of each method type.
1639 For example:
1640
1641 <programlisting>
1642   class Coll s a where
1643     empty  :: s
1644     insert :: s -> a -> s
1645 </programlisting>
1646
1647 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1648 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
1649 reachable:
1650 <programlisting>
1651   class Coll s a | s -> a where
1652     empty  :: s
1653     insert :: s -> a -> s
1654 </programlisting>
1655
1656 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
1657
1658 <programlisting>
1659   class Coll s a where
1660     empty  :: s a
1661     insert :: s a -> a -> s a
1662 </programlisting>
1663
1664
1665 which makes the connection between the type of a collection of
1666 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1667 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1668 class like this:
1669
1670
1671 <programlisting>
1672   class CollE s where
1673     empty  :: s
1674
1675   class CollE s => Coll s a where
1676     insert :: s -> a -> s
1677 </programlisting>
1678 </para>
1679 </sect3>
1680
1681
1682 <sect3>
1683 <title>Background on functional dependencies</title>
1684
1685 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
1686 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
1687 permission of Mark Jones.
1688 </para>
1689 <para> 
1690 Consider the following class, intended as part of a
1691 library for collection types:
1692 <programlisting>
1693    class Collects e ce where
1694        empty  :: ce
1695        insert :: e -> ce -> ce
1696        member :: e -> ce -> Bool
1697 </programlisting>
1698 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
1699 of the container itself. Within this framework, we might want to define
1700 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
1701 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
1702 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
1703 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
1704 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
1705 <programlisting>
1706    instance Eq e => Collects e [e] where ...
1707    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
1708    instance Collects Char BitSet where ...
1709    instance (Hashable e, Collects a ce)
1710               => Collects e (Array Int ce) where ...
1711 </programlisting>
1712 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
1713 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
1714 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
1715 <programlisting>
1716    empty :: Collects e ce => ce
1717 </programlisting>
1718 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
1719 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
1720 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
1721 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
1722 type.
1723 </para>
1724 <para>
1725 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
1726 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
1727 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
1728 them. For example, consider the following two functions: 
1729 <programlisting>
1730    f x y = insert x . insert y
1731    g     = f True 'a'
1732 </programlisting>
1733 for which GHC infers the following types: 
1734 <programlisting>
1735    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1736    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
1737 </programlisting>
1738 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
1739 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
1740 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
1741 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
1742 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
1743 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
1744 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
1745 might even be in a different module.
1746 </para>
1747
1748 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
1749
1750 <para>
1751 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
1752 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
1753 <programlisting>
1754    class Collects e c where
1755       empty  :: c e
1756       insert :: e -> c e -> c e
1757       member :: e -> c e -> Bool
1758 </programlisting>
1759 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
1760 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
1761 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
1762 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
1763 e</literal>, which is not ambiguous. 
1764 </para>
1765 <para>
1766 The function f from the previous section has a more accurate type: 
1767 <programlisting>
1768    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
1769 </programlisting>
1770 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
1771 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
1772 different types. 
1773 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
1774 quite well in practice, without ambiguity problems.
1775 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
1776 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
1777 for <literal>Collects</literal>
1778 given above can be used with this version of Collects because only one of
1779 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
1780 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
1781 </para>
1782 </sect4>
1783
1784 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
1785
1786 <para>
1787 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
1788 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
1789 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
1790 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
1791 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
1792 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
1793 later framework for "improvement" of qualified types. The
1794 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
1795 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
1796 general design space for systems of implicit parameterization.).
1797
1798 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
1799 <programlisting>
1800    class C a b where ...
1801 </programlisting>
1802 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
1803 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
1804 included in the definition of classes to add information about dependencies
1805 between parameters, as in the following examples: 
1806 <programlisting>
1807    class D a b | a -> b where ...
1808    class E a b | a -> b, b -> a where ...
1809 </programlisting>
1810 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
1811 symbols --- not to be
1812 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
1813 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
1814 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
1815 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
1816 represents a (partial) one-one mapping between types.
1817 </para>
1818 <para>
1819 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
1820 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
1821 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
1822 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
1823 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
1824 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
1825 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
1826 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
1827 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
1828 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
1829 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
1830 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
1831 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
1832 <literal>a-&gt;b</literal>, 
1833  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
1834 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
1835 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
1836 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
1837 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
1838 unchanged.
1839 </para>
1840 <para>
1841 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
1842 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
1843 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
1844 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
1845 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
1846 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
1847 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
1848 <programlisting>
1849    instance D Bool Int where ...
1850    instance D Bool Char where ...
1851 </programlisting>
1852 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
1853 <programlisting>
1854    instance D [a] b where ...
1855 </programlisting>
1856 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
1857 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
1858 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
1859 in any instance of the form: 
1860 <programlisting>
1861    instance D t s where ...
1862 </programlisting>
1863 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
1864 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
1865 uniquely determined.
1866 </para>
1867 <para>
1868 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
1869 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
1870 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
1871 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
1872 with a simple dependency: 
1873 <programlisting>
1874    class Collects e ce | ce -> e where
1875       empty  :: ce
1876       insert :: e -> ce -> ce
1877       member :: e -> ce -> Bool
1878 </programlisting>
1879 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
1880 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
1881 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
1882 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
1883 together with this new definition.
1884 </para>
1885 <para>
1886 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
1887 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
1888 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
1889 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
1890 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
1891 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
1892 give enough information to determine types for both ce and e, without
1893 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
1894 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
1895 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
1896 </para>
1897 <para>
1898 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
1899 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
1900 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
1901 function f: 
1902 <programlisting>
1903    f x y = insert x y = insert x . insert y
1904 </programlisting>
1905 for which we originally obtained a type: 
1906 <programlisting>
1907    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1908 </programlisting>
1909 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
1910 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
1911 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
1912 can infer a shorter and more accurate type for f: 
1913 <programlisting>
1914    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
1915 </programlisting>
1916 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
1917 </para>
1918 <para>
1919 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
1920 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
1921 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
1922 sets of instance declarations.
1923 </para>
1924 </sect4>
1925 </sect3>
1926 </sect2>
1927
1928 <sect2 id="instance-decls">
1929 <title>Instance declarations</title>
1930
1931 <sect3 id="instance-rules">
1932 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
1933
1934 <para>An instance declaration has the form
1935 <screen>
1936   instance ( <replaceable>assertion</replaceable><subscript>1</subscript>, ..., <replaceable>assertion</replaceable><subscript>n</subscript>) =&gt; <replaceable>class</replaceable> <replaceable>type</replaceable><subscript>1</subscript> ... <replaceable>type</replaceable><subscript>m</subscript> where ...
1937 </screen>
1938 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
1939 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
1940 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
1941 </para>
1942
1943 <para>
1944 In Haskell 98 the head of an instance declaration
1945 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
1946 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
1947 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
1948 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration
1949 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
1950 is a type variable that occurs in the head.
1951 </para>
1952 <para>
1953 The <option>-fglasgow-exts</option> flag loosens these restrictions
1954 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
1955 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
1956 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
1957 following rules:
1958 <orderedlist>
1959 <listitem><para>
1960 For each assertion in the context:
1961 <orderedlist>
1962 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
1963 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
1964       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
1965 </orderedlist>
1966 </para></listitem>
1967
1968 <listitem><para>The coverage condition.  For each functional dependency,
1969 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
1970 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
1971 every type variable in
1972 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
1973 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
1974 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
1975 corresponding type in the instance declaration.
1976 </para></listitem>
1977 </orderedlist>
1978 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
1979 step makes the problem smaller by at least one
1980 constructor.  For example, the following would make the type checker
1981 loop if it wasn't excluded:
1982 <programlisting>
1983   instance C a => C a where ...
1984 </programlisting>
1985 For example, these are OK:
1986 <programlisting>
1987   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
1988   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
1989
1990       -- Repeated type variable in head
1991   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
1992   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
1993
1994       -- Head can consist of type variables only
1995   instance C a
1996   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
1997
1998       -- Non-type variables in context
1999   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
2000   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
2001   instance C2 Int a => C3 [a] b
2002 </programlisting>
2003 But these are not:
2004 <programlisting>
2005       -- Context assertion no smaller than head
2006   instance C a => C a where ...
2007       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
2008   instance C b b => Foo [b] where ...
2009 </programlisting>
2010 </para>
2011
2012 <para>
2013 The same restrictions apply to instances generated by
2014 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
2015 <programlisting>
2016   data MinHeap h a = H a (h a)
2017     deriving (Show)
2018 </programlisting>
2019 because the derived instance
2020 <programlisting>
2021   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
2022 </programlisting>
2023 conforms to the above rules.
2024 </para>
2025
2026 <para>
2027 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
2028 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
2029 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
2030 something more specific does not:
2031 <programlisting>
2032   instance C a where
2033     op = ... -- Default
2034 </programlisting>
2035 </para>
2036 <para>You can find lots of background material about the reason for these
2037 restrictions in the paper <ulink
2038 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
2039 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
2040 </para>
2041 </sect3>
2042
2043 <sect3 id="undecidable-instances">
2044 <title>Undecidable instances</title>
2045
2046 <para>
2047 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
2048 For example, sometimes you might want to use the following to get the
2049 effect of a "class synonym":
2050 <programlisting>
2051   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2052
2053   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2054 </programlisting>
2055 This allows you to write shorter signatures:
2056 <programlisting>
2057   f :: C a => ...
2058 </programlisting>
2059 instead of
2060 <programlisting>
2061   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
2062 </programlisting>
2063 The restrictions on functional dependencies (<xref
2064 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
2065 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
2066 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
2067 <programlisting>
2068   class HasConverter a b | a -> b where
2069      convert :: a -> b
2070    
2071   data Foo a = MkFoo a
2072
2073   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
2074      show (MkFoo value) = show (convert value)
2075 </programlisting>
2076 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
2077 typechecker loop:
2078 <programlisting>
2079   class D a
2080   class F a b | a->b
2081   instance F [a] [[a]]
2082   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
2083 </programlisting>  
2084 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
2085 <programlisting>
2086   class Mul a b c | a b -> c where
2087         (.*.) :: a -> b -> c
2088
2089   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
2090   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
2091   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
2092 </programlisting>
2093 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
2094 and indeed the (somewhat strange) definition:
2095 <programlisting>
2096   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
2097 </programlisting>
2098 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
2099 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
2100 </para>
2101 <para>
2102 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
2103 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
2104 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
2105 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
2106 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
2107 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
2108 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
2109 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
2110 </para>
2111
2112 </sect3>
2113
2114
2115 <sect3 id="instance-overlap">
2116 <title>Overlapping instances</title>
2117 <para>
2118 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
2119 declaration
2120 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
2121 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
2122 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
2123 </primary></indexterm> 
2124 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
2125 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
2126 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
2127 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
2128 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
2129 <para>
2130 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
2131 it tries to match every instance declaration against the
2132 constraint,
2133 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
2134 these declarations:
2135 <programlisting>
2136   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
2137   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
2138   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
2139   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
2140 </programlisting>
2141 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
2142 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
2143 no account of the context of the instance declaration
2144 (<literal>context1</literal> etc).
2145 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
2146 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
2147 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
2148 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
2149 particular constraint matches more than one.
2150 </para>
2151
2152 <para>
2153 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
2154 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
2155 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
2156 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
2157 most-specific match, the program is rejected.
2158 </para>
2159 <para>
2160 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
2161 <programlisting>
2162   f :: [b] -> [b]
2163   f x = ...
2164 </programlisting>
2165 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
2166 <literal>C Int [b]</literal>.  But
2167 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
2168 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
2169 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
2170 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
2171 GHC will instead pick (C), without complaining about 
2172 the problem of subsequent instantiations.
2173 </para>
2174 <para>
2175 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
2176 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
2177 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
2178 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
2179 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
2180 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
2181 <itemizedlist>
2182 <listitem><para>
2183 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
2184 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
2185 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
2186 more-specific instance does not matter.
2187 </para></listitem>
2188 <listitem><para>
2189 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
2190 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
2191 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
2192 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
2193 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
2194 check for that declaration.
2195 </para></listitem>
2196 </itemizedlist>
2197 All this makes it possible for a library author to design a library that relies on 
2198 overlapping instances without the library client having to know.
2199 </para>
2200 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
2201 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
2202 </para>
2203 </sect3>
2204
2205 <sect3>
2206 <title>Type synonyms in the instance head</title>
2207
2208 <para>
2209 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
2210 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
2211 As always, using a type synonym is just shorthand for
2212 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
2213
2214
2215 <programlisting>
2216   type Point = (Int,Int)
2217   instance C Point   where ...
2218   instance C [Point] where ...
2219 </programlisting>
2220
2221
2222 is legal.  However, if you added
2223
2224
2225 <programlisting>
2226   instance C (Int,Int) where ...
2227 </programlisting>
2228
2229
2230 as well, then the compiler will complain about the overlapping
2231 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
2232 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
2233
2234
2235 <programlisting>
2236   type P a = [[a]]
2237   instance Monad P where ...
2238 </programlisting>
2239
2240
2241 This design decision is independent of all the others, and easily
2242 reversed, but it makes sense to me.
2243
2244 </para>
2245 </sect3>
2246
2247
2248 </sect2>
2249
2250 <sect2 id="type-restrictions">
2251 <title>Type signatures</title>
2252
2253 <sect3><title>The context of a type signature</title>
2254 <para>
2255 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
2256 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
2257 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
2258 these type signatures are perfectly OK
2259 <programlisting>
2260   g :: Eq [a] => ...
2261   g :: Ord (T a ()) => ...
2262 </programlisting>
2263 </para>
2264 <para>
2265 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
2266 Consider the type:
2267
2268 <programlisting>
2269   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
2270 </programlisting>
2271
2272 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
2273 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
2274 explicit source-language type signature are universally quantified,
2275 except for the class type variables in a class declaration.  However,
2276 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
2277 </para>
2278
2279 <para>
2280
2281 <orderedlist>
2282 <listitem>
2283
2284 <para>
2285  <emphasis>Each universally quantified type variable
2286 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
2287
2288 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
2289 in the same constraint as either a type variable free in in
2290 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
2291 A value with a type that does not obey 
2292 this reachability restriction cannot be used without introducing
2293 ambiguity; that is why the type is rejected.
2294 Here, for example, is an illegal type:
2295
2296
2297 <programlisting>
2298   forall a. Eq a => Int
2299 </programlisting>
2300
2301
2302 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
2303 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
2304 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
2305 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
2306 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
2307 get any more information about <literal>tv</literal>.
2308 </para>
2309 <para>
2310 Note
2311 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
2312 functionally dependent on a type variable free in
2313 <literal>type</literal> (see <xref
2314 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
2315 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
2316 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
2317 For example, consider:
2318 <programlisting>
2319   class C a b | a -> b where ...
2320   class C a b => D a b where ...
2321   f :: forall a b. D a b => a -> a
2322 </programlisting>
2323 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2324 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2325 </para>
2326 </listitem>
2327 <listitem>
2328
2329 <para>
2330  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2331 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2332
2333 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2334 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2335
2336
2337 <programlisting>
2338   forall a. C a b => burble
2339 </programlisting>
2340
2341
2342 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2343 mention <literal>a</literal>:
2344
2345
2346 <programlisting>
2347   forall a. Eq b => burble
2348 </programlisting>
2349
2350
2351 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2352 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2353 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2354 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2355 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2356 territory free in case we need it later.
2357
2358 </para>
2359 </listitem>
2360
2361 </orderedlist>
2362
2363 </para>
2364 </sect3>
2365
2366 <sect3 id="hoist">
2367 <title>For-all hoisting</title>
2368 <para>
2369 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
2370 end of an arrow, thus:
2371 <programlisting>
2372   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2373
2374   g :: Int -> Discard Int
2375   g x y z = x+y
2376 </programlisting>
2377 Simply expanding the type synonym would give
2378 <programlisting>
2379   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2380 </programlisting>
2381 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2382 <programlisting>
2383   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2384 </programlisting>
2385 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2386 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2387 performs the transformation:</emphasis>
2388 <programlisting>
2389   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2390 ==>
2391   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2392 </programlisting>
2393 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2394 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2395 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2396 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2397 <programlisting>
2398   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2399 </programlisting>
2400 </para>
2401 <para>
2402 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2403 example:
2404 <programlisting>
2405   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2406   g :: Foo (Foo Int)
2407 </programlisting>
2408 means
2409 <programlisting>
2410   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2411 </programlisting>
2412 </para>
2413 </sect3>
2414
2415
2416 </sect2>
2417
2418 <sect2 id="implicit-parameters">
2419 <title>Implicit parameters</title>
2420
2421 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2422 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2423 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2424 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2425 Boston, Jan 2000.
2426 </para>
2427
2428 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2429 due to Jeff Lewis.)</para>
2430
2431 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2432 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2433
2434 <para>
2435 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2436 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2437 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2438 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2439 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2440 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2441 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2442 only support static scoping of variables.
2443 </para>
2444 <para>
2445 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2446 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2447 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2448 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2449 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2450 of type <literal>t'</literal>". For
2451 example, the following expresses the type of a sort function,
2452 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2453 <programlisting>
2454   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2455 </programlisting>
2456 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2457 </para>
2458 <para>
2459 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2460 where <literal>x</literal> is
2461 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2462 Use of this construct also introduces a new
2463 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2464 For example, the following definition
2465 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2466 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2467 <programlisting>
2468   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2469
2470   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2471   sort    = sortBy ?cmp
2472 </programlisting>
2473 </para>
2474
2475 <sect3>
2476 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2477 <para>
2478 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2479 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2480 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2481 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2482 to pick out the least value in a list:
2483 <programlisting>
2484   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2485   least xs = head (sort xs)
2486 </programlisting>
2487 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2488 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2489 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2490 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2491 propagate them.
2492 </para>
2493 <para>
2494 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2495 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2496 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2497 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2498 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2499 class constraints.
2500 </para>
2501
2502 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2503 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2504 <programlisting>
2505   class (?x::Int) => C a where ...
2506   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2507 </programlisting>
2508 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2509 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2510 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2511 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2512 <para>
2513 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2514 <programlisting>
2515    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2516    f n = n + length ?x
2517
2518    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2519    g s = show (read s)
2520 </programlisting>
2521 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2522 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2523 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2524 </para>
2525 </sect3>
2526
2527 <sect3>
2528 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2529
2530 <para>
2531 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2532 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2533 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2534 <literal>cmp</literal>.
2535 <programlisting>
2536   min :: [a] -> a
2537   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2538 </programlisting>
2539 </para>
2540 <para>
2541 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2542 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2543 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2544 or a <literal>where</literal> clause.
2545 Note the following points:
2546 <itemizedlist>
2547 <listitem><para>
2548 An implicit-parameter binding group must be a
2549 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2550 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2551 neither polymorphic or recursive.  
2552 </para></listitem>
2553 <listitem><para>
2554 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2555 single <literal>let</literal>
2556 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2557 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2558 </para></listitem>
2559
2560 <listitem><para>
2561 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2562 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2563 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2564 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2565 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2566 the meaning of the program.
2567 For example, consider:
2568 <programlisting>
2569   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2570 </programlisting>
2571 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2572 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2573 <programlisting>
2574   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2575 </programlisting>
2576 </para></listitem>
2577 </itemizedlist>
2578 </para>
2579
2580 </sect3>
2581
2582 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2583
2584 <para>
2585 Consider these two definitions:
2586 <programlisting>
2587   len1 :: [a] -> Int
2588   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2589
2590   len_acc1 [] = ?acc
2591   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2592
2593   ------------
2594
2595   len2 :: [a] -> Int
2596   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2597
2598   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2599   len_acc2 [] = ?acc
2600   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2601 </programlisting>
2602 The only difference between the two groups is that in the second group
2603 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2604 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2605 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2606 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2607 has a type signature, the recursive call is made to the
2608 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2609 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2610 <programlisting>
2611   Prog> len1 "hello"
2612   0
2613   Prog> len2 "hello"
2614   5
2615 </programlisting>
2616 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2617 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2618 </para>
2619 </sect3>
2620
2621 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2622
2623 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2624 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2625 <programlisting>
2626  f :: Int -> Int
2627   f v = let ?x = 0     in
2628         let y = ?x + v in
2629         let ?x = 5     in
2630         y
2631 </programlisting>
2632 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2633 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2634 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2635 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2636 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2637 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2638 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2639 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2640 <literal>14</literal>.
2641 </para>
2642 </sect3>
2643 </sect2>
2644
2645     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
2646
2647     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
2648     them from the 6.6 user manual
2649
2650 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2651 <title>Linear implicit parameters</title>
2652 <para>
2653 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2654 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2655 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2656 </para>
2657 <itemizedlist>
2658 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2659 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2660 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2661 </itemizedlist>
2662
2663 <para>
2664 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2665 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
2666 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2667 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2668 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2669 </para>
2670 <para>
2671 For example:
2672 <programlisting>
2673     import GHC.Exts( Splittable )
2674
2675     data NameSupply = ...
2676     
2677     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2678     newName :: NameSupply -> Name
2679
2680     instance Splittable NameSupply where
2681         split = splitNS
2682
2683
2684     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2685     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2686                     where
2687                       x'   = newName %ns
2688                       env' = extend env x x'
2689     ...more equations for f...
2690 </programlisting>
2691 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2692 <itemizedlist>
2693 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2694 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2695 </itemizedlist>
2696 </para>
2697 <para>
2698 So the translation done by the type checker makes
2699 the parameter explicit:
2700 <programlisting>
2701     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2702     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2703                        where
2704                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2705                          x' = newName ns2
2706                          env = extend env x x'
2707 </programlisting>
2708 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2709 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2710 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2711 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2712 <programlisting>
2713         class Splittable a where
2714           split :: a -> (a,a)
2715 </programlisting>
2716 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2717 split for name supplies.  But we can simply write
2718 <programlisting>
2719         g x = (x, %ns, %ns)
2720 </programlisting>
2721 and GHC will infer
2722 <programlisting>
2723         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2724 </programlisting>
2725 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2726 <literal>GHC.Exts</literal>.
2727 </para>
2728 <para>
2729 Other points:
2730 <itemizedlist>
2731 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2732 are entirely distinct implicit parameters: you 
2733   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2734 </listitem>
2735
2736 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2737
2738 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2739   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2740 </itemizedlist>
2741 </para>
2742
2743 <sect3><title>Warnings</title>
2744
2745 <para>
2746 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2747 Consider the example above:
2748 <programlisting>
2749     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2750     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2751                     where
2752                       x'   = newName %ns
2753                       env' = extend env x x'
2754 </programlisting>
2755 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2756 usually a harmless thing to do, we get:
2757 <programlisting>
2758     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2759     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2760                     where
2761                       env' = extend env x (newName %ns)
2762 </programlisting>
2763 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2764 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2765 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2766 the beta rule.
2767 </para>
2768 <para>
2769 Well, this is an experimental change.  With implicit
2770 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2771 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2772 Haskell programs without knowing their typing.
2773 </para>
2774
2775 </sect3>
2776
2777 <sect3><title>Recursive functions</title>
2778 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2779 Consider
2780 <programlisting>
2781         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2782         foo 0 = []
2783         foo n = %x : foo (n-1)
2784 </programlisting>
2785 where T is some type in class Splittable.</para>
2786 <para>
2787 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2788 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2789 </para><para>
2790 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2791 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2792 translated term, where the implicit param is made explicit:
2793 <programlisting>
2794         foo x 0 = []
2795         foo x n = let (x1,x2) = split x
2796                   in x1 : foo x2 (n-1)
2797 </programlisting>
2798 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2799 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2800 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2801 work.  So the translation becomes
2802 <programlisting>
2803         foo x = let
2804                   foom 0 = []
2805                   foom n = x : foom (n-1)
2806                 in
2807                 foom
2808 </programlisting>
2809 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2810 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2811 Yikes!
2812 </para><para>
2813 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2814 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2815 </para>
2816 </sect3>
2817
2818 </sect2>
2819
2820 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
2821
2822 <sect2 id="sec-kinding">
2823 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2824
2825 <para>
2826 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2827 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2828 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2829 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2830 John Hughes had to define the data type:
2831 <screen>
2832      data Set cxt a = Set [a]
2833                     | Unused (cxt a -> ())
2834 </screen>
2835 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2836 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2837 </para>
2838 <para>
2839 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2840 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2841 <itemizedlist>
2842 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2843 <screen>
2844   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2845 </screen></para></listitem>
2846 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2847 <screen>
2848   type T (f :: * -> *) = f Int
2849 </screen></para></listitem>
2850 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2851 <screen>
2852   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2853 </screen></para></listitem>
2854 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2855 <screen>
2856   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2857 </screen></para></listitem>
2858 </itemizedlist>
2859 </para>
2860
2861 <para>
2862 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2863 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2864 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2865 single lexeme in Haskell.
2866 </para>
2867
2868 <para>
2869 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2870 as well.  Thus:
2871 <screen>
2872    f :: (Int :: *) -> Int
2873    g :: forall a. a -> (a :: *)
2874 </screen>
2875 The syntax is
2876 <screen>
2877    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2878 </screen>
2879 The parentheses are required.
2880 </para>
2881 </sect2>
2882
2883
2884 <sect2 id="universal-quantification">
2885 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2886 </title>
2887
2888 <para>
2889 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2890 allows us to say exactly what this means.  For example:
2891 </para>
2892 <para>
2893 <programlisting>
2894         g :: b -> b
2895 </programlisting>
2896 means this:
2897 <programlisting>
2898         g :: forall b. (b -> b)
2899 </programlisting>
2900 The two are treated identically.
2901 </para>
2902
2903 <para>
2904 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2905 explicit universal quantification in
2906 types. 
2907 For example, all the following types are legal:
2908 <programlisting>
2909     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2910     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2911
2912     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2913     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2914
2915     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2916 </programlisting>
2917 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2918 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2919 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2920 is implicitly added by Haskell.
2921 </para>
2922 <para>
2923 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2924 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2925 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2926 </para>
2927 <para>
2928 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2929 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2930 </para>
2931 <para>
2932 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2933 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2934 that restriction has now been lifted.)
2935 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2936 including an operational type class context, is legal:
2937 <itemizedlist>
2938 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2939 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2940 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2941 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2942 field type signatures.</para> </listitem>
2943 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2944 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2945 </itemizedlist>
2946 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2947 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2948 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2949 <programlisting>
2950     x1 :: [forall a. a->a]
2951     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2952     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2953 </programlisting>
2954 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2955 a type variable any more!
2956 </para>
2957
2958
2959 <sect3 id="univ">
2960 <title>Examples
2961 </title>
2962
2963 <para>
2964 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2965 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2966 </para>
2967
2968 <para>
2969
2970 <programlisting>
2971 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2972
2973 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2974                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2975                         }
2976
2977 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2978 </programlisting>
2979
2980 </para>
2981
2982 <para>
2983 The constructors have rank-2 types:
2984 </para>
2985
2986 <para>
2987
2988 <programlisting>
2989 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2990 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2991                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2992                   -> MonadT m
2993 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2994 </programlisting>
2995
2996 </para>
2997
2998 <para>
2999 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
3000 explicit context.  For example in the first argument of the
3001 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
3002 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
3003 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
3004 mentioned in the type quantified over.
3005 </para>
3006
3007 <para>
3008 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
3009 types too.  So if you write this:
3010
3011 <programlisting>
3012   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
3013 </programlisting>
3014
3015 it's just as if you had written this:
3016
3017 <programlisting>
3018   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
3019 </programlisting>
3020
3021 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
3022 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
3023 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
3024 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
3025 </para>
3026
3027 <para>
3028 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
3029 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
3030 </para>
3031
3032 <para>
3033
3034 <programlisting>
3035     a1 :: T Int
3036     a1 = T1 (\xy->x) 3
3037     
3038     a2, a3 :: Swizzle
3039     a2 = MkSwizzle sort
3040     a3 = MkSwizzle reverse
3041     
3042     a4 :: MonadT Maybe
3043     a4 = let r x = Just x
3044              b m k = case m of
3045                        Just y -> k y
3046                        Nothing -> Nothing
3047          in
3048          MkMonad r b
3049
3050     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
3051     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
3052 </programlisting>
3053
3054 </para>
3055
3056 <para>
3057 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
3058 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
3059 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
3060 </para>
3061
3062 <para>
3063 When you use pattern matching, the bound variables may now have
3064 polymorphic types.  For example:
3065 </para>
3066
3067 <para>
3068
3069 <programlisting>
3070     f :: T a -> a -> (a, Char)
3071     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3072
3073     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
3074     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
3075
3076     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
3077     h m [] = return m []
3078     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
3079                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
3080                  return m (y:ys)
3081 </programlisting>
3082
3083 </para>
3084
3085 <para>
3086 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
3087 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
3088 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
3089 matching.
3090 </para>
3091 </sect3>
3092
3093 <sect3>
3094 <title>Type inference</title>
3095
3096 <para>
3097 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
3098 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
3099 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
3100 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
3101 </para>
3102 <para>
3103 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
3104 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
3105 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
3106 </para>
3107 <para>
3108 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
3109 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
3110 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
3111 <programlisting>
3112      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
3113 </programlisting>
3114 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
3115 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
3116 <programlisting>
3117      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3118 </programlisting>
3119 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
3120 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
3121 one can give a type signature for the function itself:
3122 <programlisting>
3123      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3124      h f = (f True, f 'c')
3125 </programlisting>
3126 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
3127 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
3128 <programlisting>
3129     f :: T a -> a -> (a, Char)
3130     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3131 </programlisting>
3132 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
3133 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
3134 it needs to know.
3135 </para>
3136
3137 </sect3>
3138
3139
3140 <sect3 id="implicit-quant">
3141 <title>Implicit quantification</title>
3142
3143 <para>
3144 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
3145 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
3146 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
3147 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
3148 equivalent:
3149 <programlisting>
3150   f :: a -> a
3151   f :: forall a. a -> a
3152
3153   g (x::a) = let
3154                 h :: a -> b -> b
3155                 h x y = y
3156              in ...
3157   g (x::a) = let
3158                 h :: forall b. a -> b -> b
3159                 h x y = y
3160              in ...
3161 </programlisting>
3162 </para>
3163 <para>
3164 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
3165 point.  For example:
3166 <programlisting>
3167   f :: (a -> a) -> Int
3168            -- MEANS
3169   f :: forall a. (a -> a) -> Int
3170            -- NOT
3171   f :: (forall a. a -> a) -> Int
3172
3173
3174   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
3175            -- MEANS the illegal type
3176   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
3177            -- NOT
3178   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
3179 </programlisting>
3180 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
3181 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
3182 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
3183 for rank-2 types.
3184 </para>
3185 </sect3>
3186 </sect2>
3187
3188
3189
3190
3191 <sect2 id="scoped-type-variables">
3192 <title>Scoped type variables
3193 </title>
3194
3195 <para>
3196 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
3197 <itemizedlist>
3198 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
3199 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
3200 <listitem><para>A result type signature (<xref linkend="result-type-sigs"/>)</para></listitem>
3201 </itemizedlist>
3202 For example:
3203 <programlisting>
3204 f (xs::[a]) = ys ++ ys
3205            where
3206               ys :: [a]
3207               ys = reverse xs
3208 </programlisting>
3209 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
3210 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
3211 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
3212 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
3213 </para>
3214
3215 <para>
3216 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
3217 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
3218 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
3219 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
3220 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
3221 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
3222 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
3223 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
3224 it becomes possible to do so.
3225 </para>
3226
3227 <para>
3228 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
3229 implementations differ from the specification below, those differences
3230 are noted.
3231 </para>
3232
3233 <para>
3234 So much for the basic idea.  Here are the details.
3235 </para>
3236
3237 <sect3>
3238 <title>What a scoped type variable means</title>
3239 <para>
3240 A lexically-scoped type variable is simply
3241 the name for a type.   The restriction it expresses is that all occurrences
3242 of the same name mean the same type.  For example:
3243 <programlisting>
3244   f :: [Int] -> Int -> Int
3245   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
3246 </programlisting>
3247 The pattern type signatures on the left hand side of
3248 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
3249 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
3250 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
3251 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
3252 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
3253 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
3254 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
3255 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
3256 For example, all of these are legal:</para>
3257
3258 <programlisting>
3259   t (x::a) (y::a) = x+y*2
3260
3261   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
3262
3263   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
3264
3265   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
3266         in k x                  -- environment
3267
3268   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
3269   k (x::Int) False = ...
3270
3271   w :: [b] -> [b]
3272   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
3273 </programlisting>
3274
3275 </sect3>
3276
3277 <sect3>
3278 <title>Scope and implicit quantification</title>
3279
3280 <para>
3281
3282 <itemizedlist>
3283 <listitem>
3284
3285 <para>
3286 All the type variables mentioned in a pattern,
3287 that are not already in scope,
3288 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
3289 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
3290 For example:
3291 <programlisting>
3292   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
3293              in
3294              g (x,True)
3295 </programlisting>
3296 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
3297 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
3298 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
3299 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
3300 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
3301 </para>
3302 </listitem>
3303
3304 <listitem>
3305 <para>
3306 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
3307 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
3308 <programlisting>
3309   let
3310     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
3311     (p::b, q::b) = (1,2)
3312   in &lt;...body of let...>
3313 </programlisting>
3314 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
3315 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
3316 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
3317 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
3318 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
3319 type signatures in the <literal>let</literal> group.
3320 </para>
3321 </listitem>
3322
3323
3324 <listitem>
3325 <para>
3326 The type variables bound by the pattern may be 
3327 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
3328 type signatures anywhere within their scope.
3329
3330 </para>
3331 </listitem>
3332
3333 <listitem>
3334 <para>
3335  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
3336 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
3337
3338 </para>
3339 </listitem>
3340
3341 <listitem>
3342
3343 <para>
3344  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
3345 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
3346
3347 <programlisting>
3348   f :: a -> a
3349   f x = x::a
3350 </programlisting>
3351
3352 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
3353 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
3354 and that is an incorrect typing.
3355
3356 </para>
3357 </listitem>
3358
3359 <listitem>
3360 <para>
3361 The pattern type signature is a monotype:
3362 </para>
3363
3364 <itemizedlist>
3365 <listitem> <para> 
3366 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
3367 </para> </listitem>
3368
3369 <listitem>  <para> 
3370 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
3371 not to type schemes.
3372 </para> </listitem>
3373
3374 <listitem>  <para> 
3375 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
3376 ordinary type signatures).
3377 </para> </listitem>
3378
3379 </itemizedlist>
3380
3381 </listitem>
3382
3383 <listitem>
3384 <para>
3385
3386 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3387 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3388
3389
3390 <programlisting>
3391   class C a where
3392     op :: [a] -> a
3393
3394     op xs = let ys::[a]
3395                 ys = reverse xs
3396             in
3397             head ys
3398 </programlisting>
3399
3400
3401 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
3402 </para>
3403 </listitem>
3404
3405 </itemizedlist>
3406
3407 </para>
3408
3409 </sect3>
3410
3411 <sect3 id="decl-type-sigs">
3412 <title>Declaration type signatures</title>
3413 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3414 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3415 explicitly-quantified
3416 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3417 <programlisting>
3418   f :: forall a. [a] -> [a]
3419   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3420 </programlisting>
3421 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3422 the definition of "<literal>f</literal>".
3423 </para>
3424 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3425 signature is explicit.  For example:
3426 <programlisting>
3427   g :: [a] -> [a]
3428   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3429 </programlisting>
3430 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3431 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3432 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3433 quantification rules.
3434 </para>
3435 </sect3>
3436
3437 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3438 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
3439
3440 <para>
3441 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
3442 <itemizedlist>
3443
3444 <listitem>
3445 <para>
3446 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
3447 just on a variable:
3448
3449
3450 <programlisting>
3451   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
3452 </programlisting>
3453
3454
3455 </para>
3456 </listitem>
3457 <listitem>
3458
3459 <para>
3460  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3461 in lambda abstractions:
3462
3463 <programlisting>
3464   (\ (x::a, y) :: a -> x)
3465 </programlisting>
3466 </para>
3467 </listitem>
3468 <listitem>
3469
3470 <para>
3471  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3472 in <literal>case</literal> expressions:
3473
3474 <programlisting>
3475   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
3476 </programlisting>
3477
3478 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
3479 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
3480 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
3481 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
3482 arrow and give a parse error later.
3483
3484 </para>
3485
3486 </listitem>
3487
3488 <listitem>
3489 <para>
3490 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3491 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3492 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3493 consider how one would parse this:
3494
3495
3496 <programlisting>
3497   \ x :: a -> b -> x
3498 </programlisting>
3499
3500
3501 </para>
3502 </listitem>
3503
3504 <listitem>
3505
3506 <para>
3507  Pattern type signatures can bind existential type variables.
3508 For example:
3509
3510
3511 <programlisting>
3512   data T = forall a. MkT [a]
3513
3514   f :: T -> T
3515   f (MkT [t::a]) = MkT t3
3516                  where
3517                    t3::[a] = [t,t,t]
3518 </programlisting>
3519
3520
3521 </para>
3522 </listitem>
3523
3524
3525 <listitem>
3526
3527 <para>
3528 Pattern type signatures 
3529 can be used in pattern bindings:
3530
3531 <programlisting>
3532   f x = let (y, z::a) = x in ...
3533   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
3534   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
3535   f3 :: (b->b)        = \x -> x
3536 </programlisting>
3537
3538 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
3539 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
3540 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3541 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3542 In contrast, the binding
3543 <programlisting>
3544   f4 :: b->b
3545   f4 = \x -> x
3546 </programlisting>
3547 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3548 in <literal>f4</literal>'s scope.
3549
3550 </para>
3551 </listitem>
3552 </itemizedlist>
3553 </para>
3554 <para>Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
3555 type signatures.  The two can be used independently or together.</para>
3556
3557 </sect3>
3558
3559 <sect3 id="result-type-sigs">
3560 <title>Result type signatures</title>
3561
3562 <para>
3563 The result type of a function can be given a signature, thus:
3564
3565
3566 <programlisting>
3567   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3568 </programlisting>
3569
3570
3571 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3572 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3573 you want:
3574
3575
3576 <programlisting>
3577   f :: Int -> [a] -> [a]
3578   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3579                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3580 </programlisting>
3581
3582 </para>
3583 <para>
3584 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3585 of the definition. However, consider this corner-case:
3586 <programlisting>
3587   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3588
3589   foo ys = rev (ys::[a])
3590 </programlisting>
3591 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3592 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3593 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3594 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3595 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3596 </para>
3597 <para>
3598 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3599 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3600 is polymorphic:
3601 <programlisting>
3602   rev1 :: [b] -> [b]
3603   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3604 </programlisting>
3605 </para>
3606
3607 <para>
3608 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3609 </para>
3610
3611 </sect3>
3612
3613 </sect2>
3614
3615 <sect2 id="deriving-typeable">
3616 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3617
3618 <para>
3619 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3620 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3621 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3622 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3623 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3624 </para>
3625 <para>
3626 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3627 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3628 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3629 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3630 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3631 </para>
3632 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3633 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3634 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3635 described in
3636 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3637 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3638 </ulink>.
3639 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3640 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3641 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3642 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3643 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3644 then writing the data type instance by hand.
3645 </para>
3646 </sect2>
3647
3648 <sect2 id="newtype-deriving">
3649 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3650
3651 <para>
3652 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3653 the new type to inherit some instances from its representation. In
3654 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3655 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3656 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3657 example, if you define
3658
3659 <programlisting> 
3660   newtype Dollars = Dollars Int 
3661 </programlisting> 
3662
3663 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3664 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3665
3666 <programlisting> 
3667   instance Num Dollars where
3668     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3669     ...
3670 </programlisting>
3671 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3672 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3673 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3674 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3675 dictionary, only slower!
3676 </para>
3677
3678
3679 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3680 <para>
3681 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3682 <programlisting> 
3683   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3684 </programlisting> 
3685
3686 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3687 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3688 derives an instance declaration of the form
3689
3690 <programlisting> 
3691   instance Num Int => Num Dollars
3692 </programlisting> 
3693
3694 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3695 </para>
3696 <para>
3697
3698 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3699 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3700 transformers, such that
3701
3702 <programlisting> 
3703   instance Monad m => Monad (State s m) 
3704   instance Monad m => Monad (Failure m)
3705 </programlisting> 
3706 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3707 <programlisting> 
3708   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3709 </programlisting> 
3710
3711 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3712 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3713 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3714
3715 <programlisting> 
3716   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3717                          deriving Monad
3718 </programlisting>
3719 In this case the derived instance declaration is of the form 
3720 <programlisting> 
3721   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3722 </programlisting> 
3723
3724 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3725 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3726 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3727 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3728 declaration.
3729 </para>
3730 <para>
3731
3732 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3733 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3734 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3735 clause. For example, given the class
3736
3737 <programlisting> 
3738   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3739   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3740 </programlisting> 
3741 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3742 <programlisting> 
3743   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3744                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3745 </programlisting>
3746
3747 The derived instance is obtained by completing the application of the
3748 class to the new type:
3749
3750 <programlisting> 
3751   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3752            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3753 </programlisting>
3754 </para>
3755 <para>
3756
3757 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3758  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3759 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3760 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3761 the newtype and its representation.
3762 </para>
3763 </sect3>
3764
3765 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3766 <para>
3767 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3768 declaration (after expansion of any type synonyms)
3769
3770 <programlisting> 
3771   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3772 </programlisting> 
3773
3774 where 
3775  <itemizedlist>
3776 <listitem><para>
3777   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type
3778 </para></listitem>
3779 <listitem><para>
3780   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in 
3781   <literal>t</literal>, and
3782 </para></listitem>
3783 <listitem><para>
3784   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3785   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3786   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3787 </para></listitem>
3788 <listitem><para>
3789   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3790                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3791                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3792                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3793                 via this new mechanism.  
3794 </para></listitem>
3795 </itemizedlist>
3796 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3797 declaration is:
3798 <programlisting> 
3799   instance ci (t vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3800 </programlisting>
3801 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3802 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3803 </para>
3804 <para>
3805
3806 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3807 <programlisting> 
3808   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3809 </programlisting> 
3810 Here we cannot derive the instance 
3811 <programlisting> 
3812   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3813 </programlisting> 
3814
3815 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3816 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3817 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3818 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3819 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3820 </para>
3821 <para>
3822
3823 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3824 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3825 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3826
3827 <programlisting> 
3828   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3829 </programlisting>
3830
3831 then we would not have been able to derive an instance for the
3832 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3833 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3834 instances is most interesting.
3835 </para>
3836 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3837 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3838 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3839 4.3.3. of the Haskell Report).
3840 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3841 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3842 the standard method is used or the one described here.)
3843 </para>
3844 </sect3>
3845
3846 </sect2>
3847
3848 <sect2 id="typing-binds">
3849 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3850
3851 <para>
3852 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3853 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3854 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3855 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3856 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3857 As each group is type-checked, any binders of the group that
3858 have
3859 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3860 polymorphic type,
3861 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3862 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3863 </para>
3864
3865 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3866 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3867 Haskell</ulink>,
3868 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3869 specified:
3870 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3871 type signature</emphasis>.
3872 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3873 typecheck.  For example, consider:
3874 <programlisting>
3875   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3876   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3877   
3878   g y = (y &lt;= y) || f True
3879 </programlisting>
3880 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3881 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3882 <literal>f</literal>,
3883 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3884 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3885 type is generalised, to get
3886 <programlisting>
3887   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3888 </programlisting>
3889 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3890 <literal>g</literal> in the type environment.
3891 </para>
3892
3893 <para>
3894 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3895 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3896 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3897 <option>-fglasgow-exts</option>
3898 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3899 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3900 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3901 <programlisting>
3902   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3903   f x = (x == x) || g True
3904   
3905   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3906   g y = (y &lt;= y) || f True
3907 </programlisting>
3908 </para>
3909 </sect2>
3910
3911 </sect1>
3912 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3913   
3914 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3915
3916 <sect1 id="gadt">
3917 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3918
3919 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3920 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3921 <programlisting>
3922   data Term a where
3923       Lit    :: Int -> Term Int
3924       Succ   :: Term Int -> Term Int
3925       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3926       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3927       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3928 </programlisting>
3929 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3930 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3931 for these <literal>Terms</literal>:
3932 <programlisting>
3933   eval :: Term a -> a
3934   eval (Lit i)      = i
3935   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3936   eval (IsZero t)   = eval t == 0
3937   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3938   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
3939 </programlisting>
3940 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3941 </para>
3942 <para> The extensions to GHC are these:
3943 <itemizedlist>
3944 <listitem><para>
3945   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3946 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3947 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3948 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3949 <programlisting>
3950   data Term :: * -> * where ...
3951 </programlisting>
3952 or even a mixture of the two:
3953 <programlisting>
3954   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3955 </programlisting>
3956 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3957 like this:
3958 <programlisting>
3959   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3960 </programlisting>
3961 </para></listitem>
3962
3963 <listitem><para>
3964 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3965 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3966 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3967 </para></listitem>
3968
3969 <listitem><para>
3970 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
3971
3972 <programlisting>
3973   data Term a where
3974       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
3975       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
3976       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
3977       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
3978       Pair   { arg1 :: Term a
3979              , arg2 :: Term b
3980              }                    :: Term (a,b)
3981       If     { cnd  :: Term Bool
3982              , tru  :: Term a
3983              , fls  :: Term a
3984              }                    :: Term a
3985 </programlisting>
3986 For every constructor that has a field <literal>f</literal>, (a) the type of
3987 field <literal>f</literal> must be the same; and (b) the
3988 result type of the constructor must be the same; both modulo alpha conversion.
3989 Hence, in our example, we cannot merge the <literal>num</literal> and <literal>arg</literal>
3990 fields above into a 
3991 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
3992 their selector functions actually have different types:
3993
3994 <programlisting>
3995   num :: Term Int -> Term Int
3996   arg :: Term Bool -> Term Int
3997 </programlisting>
3998
3999 At the moment, record updates are not yet possible with GADT, so support is 
4000 limited to record construction, selection and pattern matching:
4001
4002 <programlisting>
4003   someTerm :: Term Bool
4004   someTerm = IsZero { arg = Succ { num = Lit { val = 0 } } }
4005
4006   eval :: Term a -> a
4007   eval Lit    { val = i } = i
4008   eval Succ   { num = t } = eval t + 1
4009   eval Pred   { num = t } = eval t - 1
4010   eval IsZero { arg = t } = eval t == 0
4011   eval Pair   { arg1 = t1, arg2 = t2 } = (eval t1, eval t2)
4012   eval t@If{} = if eval (cnd t) then eval (tru t) else eval (fls t)
4013 </programlisting>
4014
4015 </para></listitem>
4016
4017 <listitem><para>
4018 You can use strictness annotations, in the obvious places
4019 in the constructor type:
4020 <programlisting>
4021   data Term a where
4022       Lit    :: !Int -> Term Int
4023       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
4024       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
4025 </programlisting>
4026 </para></listitem>
4027
4028 <listitem><para>
4029 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
4030 declaration, but only if the data type could also have been declared in
4031 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
4032 <programlisting>
4033   data Maybe1 a where {
4034       Nothing1 :: Maybe a ;
4035       Just1    :: a -> Maybe a
4036     } deriving( Eq, Ord )
4037
4038   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
4039        deriving( Eq, Ord )
4040 </programlisting>
4041 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
4042 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
4043 </para></listitem>
4044
4045 <listitem><para>
4046 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
4047 <programlisting>
4048   eval :: Term a -> a
4049   eval (Lit i) =  ...
4050 </programlisting>
4051 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
4052 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
4053 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
4054
4055 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
4056 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
4057 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
4058 <programlisting>
4059   eval :: Term a -> a -> a
4060   eval (Lit i) j =  i+j
4061 </programlisting>
4062 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
4063 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
4064 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
4065 </para>
4066 </listitem>
4067 </itemizedlist>
4068 </para>
4069
4070 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
4071 <programlisting>
4072   data T a = forall b. MkT b (b->a)
4073   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
4074 </programlisting>
4075 </para>
4076 </sect1>
4077
4078 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
4079
4080 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
4081
4082 <sect1 id="template-haskell">
4083 <title>Template Haskell</title>
4084
4085 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
4086 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
4087 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
4088 the background to
4089 the main technical innovations is discussed in "<ulink
4090 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
4091 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
4092 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
4093 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
4094 (search for the type ExpQ).
4095 [Temporary: many changes to the original design are described in 
4096       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
4097 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
4098 </para>
4099
4100 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
4101 </para>
4102
4103 <para>
4104 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
4105 Tim Sheard is going to expand it.)
4106 </para>
4107
4108     <sect2>
4109       <title>Syntax</title>
4110
4111       <para> Template Haskell has the following new syntactic
4112       constructions.  You need to use the flag
4113       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
4114       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
4115       (<option>-fth</option> is no longer implied by
4116       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
4117
4118         <itemizedlist>
4119               <listitem><para>
4120                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
4121                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
4122                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
4123                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
4124                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
4125                   </para>
4126               <para> A splice can occur in place of 
4127                   <itemizedlist>
4128                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
4129                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
4130                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
4131                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
4132                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
4133                     </itemizedlist>
4134            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
4135         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
4136         as in the paper.)
4137                 </para></listitem>
4138
4139
4140               <listitem><para>
4141                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
4142                   <itemizedlist>
4143                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
4144                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
4145                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
4146                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
4147                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
4148                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
4149                   </itemizedlist></para></listitem>
4150
4151               <listitem><para>
4152                   Reification is written thus:
4153                   <itemizedlist>
4154                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
4155                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
4156                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
4157                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
4158                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
4159                     
4160                   </itemizedlist></para>
4161                 </listitem>
4162
4163                   
4164         </itemizedlist>
4165 </sect2>
4166
4167 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
4168 <para>
4169 <itemizedlist>
4170     <listitem><para>
4171     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
4172     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
4173     </para></listitem>
4174
4175     <listitem><para>
4176     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
4177             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
4178             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
4179    </para></listitem>
4180
4181     <listitem><para>
4182             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
4183    </para></listitem>
4184     <listitem><para>
4185             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
4186               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
4187               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
4188               the program it compiles produces results whose representations are identical to
4189               those of the compiler itself.
4190    </para></listitem>
4191 </itemizedlist>
4192 </para>
4193 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
4194         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
4195         has been lifted.
4196 </para>
4197 </sect2>
4198  
4199 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
4200 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
4201   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
4202
4203 <programlisting>
4204
4205 {- Main.hs -}
4206 module Main where
4207
4208 -- Import our template "pr"
4209 import Printf ( pr )
4210
4211 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
4212 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
4213 -- the argument of "putStrLn".
4214 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
4215
4216
4217 {- Printf.hs -}
4218 module Printf where
4219
4220 -- Skeletal printf from the paper.
4221 -- It needs to be in a separate module to the one where
4222 -- you intend to use it.
4223
4224 -- Import some Template Haskell syntax
4225 import Language.Haskell.TH
4226
4227 -- Describe a format string
4228 data Format = D | S | L String
4229
4230 -- Parse a format string.  This is left largely to you
4231 -- as we are here interested in building our first ever
4232 -- Template Haskell program and not in building printf.
4233 parse :: String -> [Format]
4234 parse s   = [ L s ]
4235
4236 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
4237 -- of the format string.  This code will be spliced into
4238 -- the module which calls "pr", at compile time.
4239 gen :: [Format] -> ExpQ
4240 gen [D]   = [| \n -> show n |]
4241 gen [S]   = [| \s -> s |]
4242 gen [L s] = stringE s
4243
4244 -- Here we generate the Haskell code for the splice
4245 -- from an input format string.
4246 pr :: String -> ExpQ
4247 pr s      = gen (parse s)
4248 </programlisting>
4249
4250 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
4251 </para>
4252 <programlisting>
4253 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
4254 </programlisting>
4255
4256 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
4257
4258 <programlisting>
4259 $ ./main
4260 Hello
4261 </programlisting>
4262
4263 </sect2>
4264
4265 <sect2>
4266 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
4267 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
4268  
4269 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
4270 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
4271 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
4272 itself is running; this means that the compiled code referred to by
4273 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
4274 in particular this means that object code that is compiled for
4275 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
4276 expression, because profiled object code is only compatible with the
4277 profiling version of the runtime.</para>
4278
4279 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
4280 containing Template Haskell code and you need to compile it for
4281 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
4282 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
4283 The basic idea is to compile the program twice:</para>
4284
4285 <orderedlist>
4286 <listitem>
4287   <para>Compile the program or library first the normal way, without
4288   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
4289 </listitem>
4290 <listitem>
4291   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
4292   additionally use <option>-osuf
4293   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
4294   to name the object files differentliy (you can choose any suffix
4295   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
4296   load the object files built in the first step when executing splice
4297   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
4298   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
4299   GHC will emit an error message. </para>
4300 </listitem>
4301 </orderedlist>
4302 </sect2>
4303
4304 </sect1>
4305
4306 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
4307
4308 <sect1 id="arrow-notation">
4309 <title>Arrow notation
4310 </title>
4311
4312 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
4313 For more details, see
4314 <itemizedlist>
4315
4316 <listitem>
4317 <para>
4318 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
4319 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
4320 pp67&ndash;111, May 2000.
4321 </para>
4322 </listitem>
4323
4324 <listitem>
4325 <para>
4326 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
4327 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
4328 </para>
4329 </listitem>
4330
4331 <listitem>
4332 <para>
4333 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
4334 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
4335 Palgrave, 2003.
4336 </para>
4337 </listitem>
4338
4339 </itemizedlist>
4340 and the arrows web page at
4341 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
4342 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
4343 notation described in the second of these papers.
4344 What follows is a brief introduction to the notation;
4345 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
4346 This notation is translated to ordinary Haskell,
4347 using combinators from the
4348 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4349 module.
4350 </para>
4351
4352 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
4353 <screen>
4354 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
4355        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4356 </screen>
4357 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
4358 The variables of the pattern are bound in the body of the 
4359 <literal>proc</literal>-expression,
4360 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
4361 The syntax of commands is as follows:
4362 <screen>
4363 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
4364        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4365        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4366 </screen>
4367 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4368 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4369 infix operators as for expressions, and
4370 <screen>
4371 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4372        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4373        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4374        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4375        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4376        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4377
4378 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4379        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4380        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4381
4382 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4383        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4384        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4385        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4386 </screen>
4387 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4388 except that the bodies are commands instead of expressions.
4389 </para>
4390
4391 <para>
4392 Commands produce values, but (like monadic computations)
4393 may yield more than one value,
4394 or none, and may do other things as well.
4395 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4396 using commands.
4397 However the values of expressions, even monadic ones,
4398 are determined by the values of the variables they contain;
4399 this is not necessarily the case for commands.
4400 </para>
4401
4402 <para>
4403 A simple example of the new notation is the expression
4404 <screen>
4405 proc x -> f -&lt; x+1
4406 </screen>
4407 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4408 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4409 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4410 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4411 It refers to the input to the arrow.
4412 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4413 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4414 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4415 (The weird look will make more sense later.)
4416 It may be read as analogue of application for arrows.
4417 The above example is equivalent to the Haskell expression
4418 <screen>
4419 arr (\ x -> x+1) >>> f
4420 </screen>
4421 That would make no sense if the expression to the left of
4422 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4423 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4424 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4425 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4426 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4427 <screen>
4428 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4429 </screen>
4430 which is equivalent to
4431 <screen>
4432 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4433 </screen>
4434 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4435 class.
4436 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4437 you may find a monadic formulation more convenient.
4438 </para>
4439
4440 <sect2>
4441 <title>do-notation for commands</title>
4442
4443 <para>
4444 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4445 For example, you can write
4446 <screen>
4447 proc x -> do
4448         y &lt;- f -&lt; x+1
4449         g -&lt; 2*y
4450         let z = x+y
4451         t &lt;- h -&lt; x*z
4452         returnA -&lt; t+z
4453 </screen>
4454 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4455 but with commands in place of monadic expressions.
4456 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4457 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4458 <literal>y</literal>.
4459 In the next line, the output is discarded.
4460 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4461 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4462 module as <literal>arr id</literal>.
4463 The above example is treated as an abbreviation for
4464 <screen>
4465 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4466         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4467         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4468         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4469         arr snd >>>
4470         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4471         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4472         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4473         returnA
4474 </screen>
4475 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4476 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4477 defined in the
4478 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4479 module, this reduces to
4480 <screen>
4481 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4482         first f >>>
4483         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4484         first g >>>
4485         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4486         first h >>>
4487         arr (\ (t, z) -> t+z)
4488 </screen>
4489 which is what you might have written by hand.
4490 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4491 </para>
4492
4493 <para>
4494 Note that although the above translation suggests that
4495 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4496 monomorphic, the actual translation produces Core,
4497 so polymorphic variables are allowed.
4498 </para>
4499
4500 <para>
4501 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4502 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4503 <programlisting>
4504 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4505 counter = proc reset -> do
4506         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4507                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4508         returnA -&lt; output
4509 </programlisting>
4510 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4511 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4512 </para>
4513
4514 </sect2>
4515
4516 <sect2>
4517 <title>Conditional commands</title>
4518
4519 <para>
4520 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4521 input for an arrow.
4522 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4523 <screen>
4524 proc (x,y) ->
4525         if f x y
4526         then g -&lt; x+1
4527         else h -&lt; y+2
4528 </screen>
4529 which is translated to
4530 <screen>
4531 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4532         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4533 </screen>
4534 Since the translation uses <function>|||</function>,
4535 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4536 </para>
4537
4538 <para>
4539 There are also <literal>case</literal> commands, like
4540 <screen>
4541 case input of
4542     [] -> f -&lt; ()
4543     [x] -> g -&lt; x+1
4544     x1:x2:xs -> do
4545         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4546         ys &lt;- k -&lt; xs
4547         returnA -&lt; y:ys
4548 </screen>
4549 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4550 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4551 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4552 </para>
4553
4554 </sect2>
4555
4556 <sect2>
4557 <title>Defining your own control structures</title>
4558
4559 <para>
4560 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4561 modelled on those for expressions,
4562 for sequencing, value recursion and conditionals.
4563 But suitable combinators,
4564 which you can define in ordinary Haskell,
4565 may also be used to build new commands out of existing ones.
4566 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4567 These environments assign values to the free local variables of the command.
4568 Thus combinators that produce arrows from arrows
4569 may also be used to build commands from commands.
4570 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4571 <programlisting>
4572 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4573 </programlisting>
4574 so we can use it to build commands:
4575 <programlisting>
4576 expr' = proc x -> do
4577                 returnA -&lt; x
4578         &lt;+> do
4579                 symbol Plus -&lt; ()
4580                 y &lt;- term -&lt; ()
4581                 expr' -&lt; x + y
4582         &lt;+> do
4583                 symbol Minus -&lt; ()
4584                 y &lt;- term -&lt; ()
4585                 expr' -&lt; x - y
4586 </programlisting>
4587 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4588 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4589 expression on the previous line.)
4590 This is equivalent to
4591 <programlisting>
4592 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4593         &lt;+> (proc x -> do
4594                 symbol Plus -&lt; ()
4595                 y &lt;- term -&lt; ()
4596                 expr' -&lt; x + y)
4597         &lt;+> (proc x -> do
4598                 symbol Minus -&lt; ()
4599                 y &lt;- term -&lt; ()
4600                 expr' -&lt; x - y)
4601 </programlisting>
4602 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4603 (representing the environment input to the command
4604 and thence to its subcommands)
4605 and satisfy the corresponding naturality property
4606 <screen>
4607 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4608 </screen>
4609 at least for strict <literal>k</literal>.
4610 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4611 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4612 of the whole command,
4613 and also allows the translation to safely trim these environments.
4614 The operator must also not use any variable defined within the current
4615 arrow abstraction.
4616 </para>
4617
4618 <para>
4619 We could define our own operator
4620 <programlisting>
4621 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4622 untilA body cond = proc x ->
4623         if cond x then returnA -&lt; ()
4624         else do
4625                 body -&lt; x
4626                 untilA body cond -&lt; x
4627 </programlisting>
4628 and use it in the same way.
4629 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4630 there is also a more general syntax involving special brackets:
4631 <screen>
4632 proc x -> do
4633         y &lt;- f -&lt; x+1
4634         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4635 </screen>
4636 </para>
4637
4638 </sect2>
4639
4640 <sect2>
4641 <title>Primitive constructs</title>
4642
4643 <para>
4644 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4645 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4646 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4647 exception that occurred to the handler.
4648 Such an operator might have a type
4649 <screen>
4650 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4651 </screen>
4652 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4653 You could then use this with arrow notation by writing a command
4654 <screen>
4655 body `handleA` \ ex -> handler
4656 </screen>
4657 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4658 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4659 and the command <literal>handler</literal>,
4660 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4661 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4662 we are talking about commands, and something different is going on.
4663 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4664 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4665 In all the prior examples, this stack was empty.
4666 In the second argument to <function>handleA</function>,
4667 this stack consists of one value, the value of the exception.
4668 The command form of lambda merely gives this value a name.
4669 </para>
4670
4671 <para>
4672 More concretely,
4673 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4674 So operators like <function>handleA</function> that pass
4675 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4676 by pairing the values with the environment in this way.
4677 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4678 should have the form
4679 <screen>
4680 a (...(e,t1), ... tn) t
4681 </screen>
4682 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4683 (representing the environment)
4684 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4685 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4686 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4687 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4688 <replaceable>t</replaceable>.
4689 However the arrows involved need not be the same.
4690 Here are some more examples of suitable operators:
4691 <screen>
4692 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4693 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4694 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4695 </screen>
4696 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4697 by applying them to ordinary expressions, as in
4698 <screen>
4699 proc x -> do
4700         s &lt;- ...
4701         (|runReader (do { ... })|) s
4702 </screen>
4703 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4704 built using <function>runReader</function>.
4705 </para>
4706
4707 <para>
4708 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4709 the expression versions.
4710 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4711 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4712 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4713 though the results would be somewhat clumsy.
4714 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4715 <programlisting>
4716 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4717 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4718
4719 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4720 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4721 </programlisting>
4722 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4723 <programlisting>
4724 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4725 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4726 </programlisting>
4727 </para>
4728
4729 </sect2>
4730
4731 <sect2>
4732 <title>Differences with the paper</title>
4733
4734 <itemizedlist>
4735
4736 <listitem>
4737 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4738 translations, the implementation provides two forms
4739 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4740 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4741 </para>
4742 </listitem>
4743
4744 <listitem>
4745 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4746 a new <literal>form</literal> keyword.
4747 </para>
4748 </listitem>
4749
4750 </itemizedlist>
4751
4752 </sect2>
4753
4754 <sect2>
4755 <title>Portability</title>
4756
4757 <para>
4758 Although only GHC implements arrow notation directly,
4759 there is also a preprocessor
4760 (available from the 
4761 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4762 that translates arrow notation into Haskell 98
4763 for use with other Haskell systems.
4764 You would still want to check arrow programs with GHC;
4765 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4766 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4767 additional restrictions:
4768 <itemizedlist>
4769
4770 <listitem>
4771 <para>
4772 The module must import
4773 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4774 </para>
4775 </listitem>
4776
4777 <listitem>
4778 <para>
4779 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4780 These would have to go in separate modules.
4781 </para>
4782 </listitem>
4783
4784 <listitem>
4785 <para>
4786 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4787 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4788 </para>
4789 </listitem>
4790
4791 </itemizedlist>
4792 </para>
4793
4794 </sect2>
4795
4796 </sect1>
4797
4798 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
4799
4800 <sect1 id="sec-bang-patterns">
4801 <title>Bang patterns
4802 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
4803 </title>
4804 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
4805 patterns</emphasis>.   Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
4806 The <ulink
4807 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
4808 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
4809 than the material below.
4810 </para>
4811 <para>
4812 Bang patterns are enabled by the flag <option>-fbang-patterns</option>.
4813 </para>
4814
4815 <sect2 id="sec-bang-patterns-informal">
4816 <title>Informal description of bang patterns
4817 </title>
4818 <para>
4819 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
4820 <programlisting>
4821   pat ::= !pat
4822 </programlisting>
4823 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
4824 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
4825 Example:
4826 <programlisting>
4827 f1 !x = True
4828 </programlisting>
4829 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
4830 whereas without the bang it would be lazy.
4831 Bang patterns can be nested of course:
4832 <programlisting>
4833 f2 (!x, y) = [x,y]
4834 </programlisting>
4835 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
4836 <literal>y</literal>.  
4837 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
4838 <programlisting>
4839 f3 !(x,y) = [x,y]
4840 f4 (x,y)  = [x,y]
4841 </programlisting>
4842 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; putting a bang before a pattern that
4843 forces evaluation anyway does nothing.
4844 </para><para>
4845 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
4846 <programlisting>
4847 g5 x = let y = f x in body
4848 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
4849 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
4850 </programlisting>
4851 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
4852 But <literal>g7</literal> evalutes <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
4853 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
4854 </para><para>
4855 Bang patterns work in <literal>let</literal> and <literal>where</literal>
4856 definitions too. For example:
4857 <programlisting>
4858 let ![x,y] = e in b
4859 </programlisting>
4860 is a strict pattern: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
4861 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>
4862 The "<literal>!</literal>" should not be regarded as part of the pattern; after all,
4863 in a function argument <literal>![x,y]</literal> means the 
4864 same as <literal>[x,y]</literal>.  Rather, the "<literal>!</literal>" 
4865 is part of the syntax of <literal>let</literal> bindings.
4866 </para>
4867 </sect2>
4868
4869
4870 <sect2 id="sec-bang-patterns-sem">
4871 <title>Syntax and semantics
4872 </title>
4873 <para>
4874
4875 We add a single new production to the syntax of patterns:
4876 <programlisting>
4877   pat ::= !pat
4878 </programlisting>
4879 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
4880 <programlisting>
4881 f !x = 3
4882 </programlisting>
4883 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
4884 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
4885 ambiguity inf favour of the latter.  If you want to define
4886 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
4887 prefix notation:
4888 <programlisting>
4889 (!) f x = 3
4890 </programlisting>
4891 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
4892 url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
4893 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
4894 one extra item 10, saying:
4895 <itemizedlist><listitem><para>Matching
4896 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
4897 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
4898                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
4899                 <literal>v</literal></para></listitem>
4900 </itemizedlist>
4901 </para></listitem></itemizedlist>
4902 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
4903 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
4904 <programlisting>
4905 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
4906    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
4907 </programlisting>
4908 </para><para>
4909 That leaves let expressions, whose translation is given in 
4910 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
4911 3.12</ulink>
4912 of the Haskell Report.
4913 In the translation box, first apply 
4914 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
4915 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
4916 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
4917 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
4918 </para>
4919 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
4920 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
4921 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
4922 thus:
4923 <programlisting>
4924   let !y = f x in b
4925 </programlisting>
4926
4927 </para>
4928 <para>
4929 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
4930 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
4931 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
4932      is equivalent to
4933 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
4934 </para>
4935 <para>
4936 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
4937 a module.
4938 </para>
4939 </sect2>
4940 </sect1>
4941
4942 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4943
4944 <sect1 id="sec-assertions">
4945 <title>Assertions
4946 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4947 </title>
4948
4949 <para>
4950 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4951 could define a function like the following:
4952 </para>
4953
4954 <para>
4955
4956 <programlisting>
4957 assert :: Bool -> a -> a
4958 assert False x = error "assertion failed!"
4959 assert _     x = x
4960 </programlisting>
4961
4962 </para>
4963
4964 <para>
4965 which works, but gives you back a less than useful error message --
4966 an assertion failed, but which and where?
4967 </para>
4968
4969 <para>
4970 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4971 takes a descriptive string to include in the error message and
4972 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4973 the source location where <function>assert</function> was used.
4974 </para>
4975
4976 <para>
4977 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4978 use of <function>assert</function> in the user's source:
4979 </para>
4980
4981 <para>
4982
4983 <programlisting>
4984 kelvinToC :: Double -> Double
4985 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4986 </programlisting>
4987
4988 </para>
4989
4990 <para>
4991 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4992 assertion was made,
4993 </para>
4994
4995 <para>
4996
4997 <programlisting>
4998 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4999 </programlisting>
5000
5001 </para>
5002
5003 <para>
5004 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
5005 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
5006 can still define and use your own versions of
5007 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
5008 <literal>Control.Exception</literal> to make use
5009 <function>assert</function> in your code.
5010 </para>
5011
5012 <para>
5013 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
5014       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
5015 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
5016 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
5017       <option>-fignore-asserts</option>
5018       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
5019       </indexterm>.</para>
5020
5021 <para>
5022 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
5023 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
5024 </para>
5025
5026 </sect1>
5027
5028
5029 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
5030
5031   <sect1 id="pragmas">
5032     <title>Pragmas</title>
5033
5034     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
5035
5036     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
5037     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
5038     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
5039     of the generated code.</para>
5040
5041     <para>Pragmas all take the form
5042
5043 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
5044
5045     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
5046     pragma, and is followed optionally by information specific to that
5047     type of pragma.  Case is ignored in
5048     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
5049     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
5050     in the following sections; any pragma encountered with an
5051     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
5052     ignored.</para>
5053
5054     <sect2 id="deprecated-pragma">
5055       <title>DEPRECATED pragma</title>
5056       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
5057       </indexterm>
5058
5059       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
5060       function, class, or type, is deprecated.  There are two
5061       forms.
5062
5063       <itemizedlist>
5064         <listitem>
5065           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
5066 <programlisting>
5067    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
5068      ...
5069 </programlisting>
5070           <para>When you compile any module that import
5071           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
5072           message.</para>
5073         </listitem>
5074
5075         <listitem>
5076           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
5077           following top-level declaration:</para>
5078 <programlisting>
5079    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
5080 </programlisting>
5081           <para>When you compile any module that imports and uses any
5082           of the specified entities, GHC will print the specified
5083           message.</para>
5084           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
5085           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
5086           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
5087           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
5088           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
5089           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
5090           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
5091         </listitem>
5092       </itemizedlist>
5093       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
5094       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
5095       deprecations are not reported for
5096       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
5097       (b) uses of a deprecated function in an export list.
5098       The latter reduces spurious complaints within a library
5099       in which one module gathers together and re-exports 
5100       the exports of several others.
5101       </para>
5102       <para>You can suppress the warnings with the flag
5103       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
5104     </sect2>
5105
5106     <sect2 id="include-pragma">
5107       <title>INCLUDE pragma</title>
5108
5109       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
5110         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
5111         the C source code generated by the compiler for the current module (if
5112         compiling via C).  For example:</para>
5113
5114 <programlisting>
5115 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
5116 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
5117
5118       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
5119         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
5120         pragma(s).</para>
5121
5122       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
5123         to the <option>-#include</option> option (<xref
5124           linkend="options-C-compiler" />), because the
5125         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
5126         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
5127         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
5128         don't recommend using this approach with GHC.</para>
5129     </sect2>
5130
5131     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
5132       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
5133
5134       <para>These pragmas control the inlining of function
5135       definitions.</para>
5136
5137       <sect3 id="inline-pragma">
5138         <title>INLINE pragma</title>
5139         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
5140
5141         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
5142         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
5143         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
5144         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
5145         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
5146         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
5147         export that unfolding for other modules to use.</para>
5148
5149         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
5150         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
5151         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
5152
5153 <programlisting>
5154 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
5155
5156 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5157 {-# INLINE key_function #-}
5158 #endif
5159 </programlisting>
5160
5161         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
5162         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
5163         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
5164
5165         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
5166         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
5167         The normal unfolding machinery will then be very keen to
5168         inline it.</para>
5169
5170         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
5171         function can be put anywhere its type signature could be
5172         put.</para>
5173
5174         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
5175         good idea for the
5176         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
5177         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
5178         a monad.  For example, in GHC's own
5179         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
5180
5181 <programlisting>
5182 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5183 {-# INLINE thenUs #-}
5184 {-# INLINE returnUs #-}
5185 #endif
5186 </programlisting>
5187
5188         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
5189         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
5190       </sect3>
5191
5192       <sect3 id="noinline-pragma">
5193         <title>NOINLINE pragma</title>
5194         
5195         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
5196         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
5197
5198         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
5199         you'd expect: it stops the named function from being inlined
5200         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
5201         you're very cautious about code size.</para>
5202
5203         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
5204         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
5205         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
5206         inlining, so it should be used if you want your code to be
5207         portable).</para>
5208       </sect3>
5209
5210       <sect3 id="phase-control">
5211         <title>Phase control</title>
5212
5213         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
5214         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
5215         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
5216         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
5217         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
5218         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
5219         sequence of phase numbers for successive runs of the
5220         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
5221         phase number, thus:
5222         <itemizedlist>
5223           <listitem>
5224             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5225             <literal>f</literal>
5226               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5227               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
5228             </para></listitem>
5229           <listitem>
5230             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
5231             <literal>f</literal>
5232               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5233               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5234             </para></listitem>
5235           <listitem>
5236             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5237             <literal>f</literal>
5238               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5239               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
5240               there was no pragma).
5241             </para></listitem>
5242             <listitem>
5243             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
5244             <literal>f</literal>
5245               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5246               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5247             </para></listitem>
5248         </itemizedlist>
5249 The same information is summarised here:
5250 <programlisting>
5251                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
5252   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
5253   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
5254   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
5255   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
5256
5257   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
5258   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
5259 </programlisting>
5260 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
5261 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
5262 Another way to understand the semantics is this:
5263 <itemizedlist>
5264 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
5265 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
5266 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
5267 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
5268 happen.
5269 </para></listitem>
5270 </itemizedlist>
5271 </para>
5272 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
5273         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
5274       </sect3>
5275     </sect2>
5276
5277     <sect2 id="language-pragma">
5278       <title>LANGUAGE pragma</title>
5279
5280       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5281       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
5282
5283       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
5284         It is the intention that all Haskell compilers support the
5285         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
5286         all extensions are supported by all compilers, of
5287         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
5288         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
5289
5290       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
5291
5292 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
5293
5294       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
5295         <ulink
5296           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink> may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
5297     </sect2>
5298
5299
5300     <sect2 id="line-pragma">
5301       <title>LINE pragma</title>
5302
5303       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5304       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
5305       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
5306       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
5307       code.  It lets you specify the line number and filename of the
5308       original code; for example</para>
5309
5310 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
5311
5312       <para>if you'd generated the current file from something called
5313       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
5314       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
5315       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
5316       pragma.</para>
5317     </sect2>
5318
5319     <sect2 id="options-pragma">
5320       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
5321       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
5322       </indexterm>
5323       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
5324       </indexterm>
5325
5326       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
5327       additional options that are given to the compiler when compiling
5328       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
5329       details.</para>
5330
5331       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
5332         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
5333     </sect2>
5334
5335     <sect2 id="rules">
5336       <title>RULES pragma</title>
5337
5338       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
5339       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
5340     </sect2>
5341
5342     <sect2 id="specialize-pragma">
5343       <title>SPECIALIZE pragma</title>
5344
5345       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5346       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
5347       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5348
5349       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
5350       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
5351       specialised to particular types.  Thus, if you have an
5352       overloaded function:</para>
5353
5354 <programlisting>
5355   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
5356 </programlisting>
5357
5358       <para>If it is heavily used on lists with
5359       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
5360       follows:</para>
5361
5362 <programlisting>
5363   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
5364 </programlisting>
5365
5366       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
5367       be put anywhere its type signature could be put.</para>
5368
5369       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
5370       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
5371       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
5372       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
5373
5374       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
5375         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
5376         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
5377 <programlisting>
5378   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
5379 </programlisting>
5380       is valid if and only if the defintion
5381 <programlisting>
5382   f_spec :: &lt;type&gt;
5383   f_spec = f
5384 </programlisting>
5385       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
5386       for the original function, not its code):
5387 <programlisting>
5388   f :: Eq a => a -> b -> b
5389   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
5390
5391   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
5392   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
5393
5394   h :: Eq a => a -> a -> a
5395   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
5396 </programlisting>  
5397 The last of these examples will generate a 
5398 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
5399 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
5400 </para>
5401
5402 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
5403 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
5404 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
5405 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised verison of the
5406 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
5407 example is this:
5408 <programlisting>
5409 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
5410 data Arr e where
5411   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
5412   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
5413
5414 (!:) :: Arr e -> Int -> e
5415 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
5416 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
5417 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
5418 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
5419 </programlisting>
5420 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
5421 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
5422 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
5423 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
5424 <literal>(!:)</literal>,
5425 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
5426 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
5427 unrolling of the indexing function.</para>
5428 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
5429 on an ordinarily-recursive function.</para>
5430
5431       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
5432       specialised function for a given type:
5433
5434 <programlisting>
5435 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
5436 </programlisting>
5437
5438       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
5439       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
5440
5441     </sect2>
5442
5443 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
5444 <title>SPECIALIZE instance pragma
5445 </title>
5446
5447 <para>
5448 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5449 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5450 Same idea, except for instance declarations.  For example:
5451
5452 <programlisting>
5453 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
5454    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
5455    ... usual stuff ...
5456  }
5457 </programlisting>
5458 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
5459 of the instance declaration.
5460 </para>
5461 <para>
5462 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
5463 of the pragma.
5464 </para>
5465
5466 </sect2>
5467
5468     <sect2 id="unpack-pragma">
5469       <title>UNPACK pragma</title>
5470
5471       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
5472       
5473       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
5474       that it should unpack the contents of a constructor field into
5475       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
5476       example:</para>
5477
5478 <programlisting>
5479 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
5480            {-# UNPACK #-} !Float
5481 </programlisting>
5482
5483       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
5484       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
5485       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
5486       floats passed to a non-strict function for example, they will
5487       have to be reboxed (this is done automatically by the
5488       compiler).</para>
5489
5490       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
5491       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
5492       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
5493       often as possible.  For example:</para>
5494
5495 <programlisting>
5496 f :: T -&#62; Float
5497 f (T f1 f2) = f1 + f2
5498 </programlisting>
5499
5500       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
5501       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
5502       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
5503
5504       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
5505       example</para>
5506
5507 <programlisting>
5508 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
5509 </programlisting>
5510
5511       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
5512       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5513       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5514
5515 <programlisting>
5516 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5517 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5518 </programlisting>
5519
5520       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5521       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5522       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5523
5524       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5525       so it might be an idea to check the generated code with
5526       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5527
5528       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5529       which essentially has the effect of adding
5530       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5531       constructor field.</para>
5532     </sect2>
5533
5534 </sect1>
5535
5536 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5537
5538 <sect1 id="rewrite-rules">
5539 <title>Rewrite rules
5540
5541 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5542 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5543 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5544
5545 <para>
5546 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5547 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5548 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5549 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5550 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified, and (c) the
5551 <option>-fglasgow-exts</option> (<xref linkend="options-language"/>)
5552 flag is active.
5553 </para>
5554
5555 <para>
5556 Here is an example:
5557
5558 <programlisting>
5559   {-# RULES
5560         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5561   #-}
5562 </programlisting>
5563
5564 </para>
5565
5566 <sect2>
5567 <title>Syntax</title>
5568
5569 <para>
5570 From a syntactic point of view:
5571
5572 <itemizedlist>
5573 <listitem>
5574
5575 <para>
5576  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5577 </para>
5578 </listitem>
5579
5580 <listitem>
5581
5582 <para>
5583  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5584 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5585 </para>
5586 </listitem>
5587
5588 <listitem>
5589 <para>
5590 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5591 immediately after the name of the rule.  Thus:
5592 <programlisting>
5593   {-# RULES
5594         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5595   #-}
5596 </programlisting>
5597 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5598 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5599 Phase 2.
5600 </para>
5601 </listitem>
5602
5603
5604 <listitem>
5605
5606 <para>
5607  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5608 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5609 enclosing definitions.
5610 </para>
5611 </listitem>
5612
5613 <listitem>
5614
5615 <para>
5616  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5617 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5618 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5619 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5620 </para>
5621 </listitem>
5622 <listitem>
5623
5624 <para>
5625  A pattern variable may optionally have a type signature.
5626 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5627 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5628
5629 <programlisting>
5630 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5631               foldr k z (build g) = g k z
5632 </programlisting>
5633
5634 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5635
5636 </para>
5637 </listitem>
5638 <listitem>
5639
5640 <para>
5641 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5642 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5643
5644 <programlisting>
5645 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5646 "wrong2"   forall f.      f True = True
5647 </programlisting>
5648
5649 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5650 in the head.
5651 </para>
5652 </listitem>
5653 <listitem>
5654
5655 <para>
5656  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5657 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5658 </para>
5659 </listitem>
5660 <listitem>
5661
5662 <para>
5663  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5664 </para>
5665 </listitem>
5666
5667 </itemizedlist>
5668
5669 </para>
5670
5671 </sect2>
5672
5673 <sect2>
5674 <title>Semantics</title>
5675
5676 <para>
5677 From a semantic point of view:
5678
5679 <itemizedlist>
5680 <listitem>
5681
5682 <para>
5683 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5684 </para>
5685 </listitem>
5686
5687 <listitem>
5688 <para>
5689  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5690 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5691 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5692 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5693 expression by substituting for the pattern variables.
5694
5695 </para>
5696 </listitem>
5697 <listitem>
5698
5699 <para>
5700  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5701 same type.
5702
5703 </para>
5704 </listitem>
5705 <listitem>
5706
5707 <para>
5708  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5709 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5710 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5711
5712 </para>
5713 </listitem>
5714 <listitem>
5715
5716 <para>
5717  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5718 terminating.  For example:
5719
5720 <programlisting>
5721   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5722 </programlisting>
5723
5724 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5725
5726 </para>
5727 </listitem>
5728 <listitem>
5729
5730 <para>
5731  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5732
5733 </para>
5734 </listitem>
5735 <listitem>
5736 <para>
5737  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5738 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5739 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5740 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5741 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5742 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5743 </para>
5744
5745 <para>
5746 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5747 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5748 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5749 </para>
5750 </listitem>
5751 <listitem>
5752
5753 <para>
5754  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5755 For example, consider:
5756
5757 <programlisting>
5758   let s = map f
5759       t = map g
5760   in
5761   s (t xs)
5762 </programlisting>
5763
5764 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5765 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5766 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5767 not be substituted, and the rule would not fire.
5768
5769 </para>
5770 </listitem>
5771 <listitem>
5772
5773 <para>
5774  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5775 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5776 for something you can't match against it (given the simple minded
5777 matching).  So if you write the rule
5778
5779 <programlisting>
5780         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5781 </programlisting>
5782
5783 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5784 It will only match something written with explicit use of ".".
5785 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5786
5787 <programlisting>
5788 wibble f g xs
5789 </programlisting>
5790
5791 where <function>wibble</function> is defined:
5792
5793 <programlisting>
5794 wibble f g = map f . map g
5795 </programlisting>
5796
5797 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5798
5799 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5800 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5801 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5802
5803 </para>
5804 </listitem>
5805 <listitem>
5806
5807 <para>
5808  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5809 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5810 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5811 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5812 declarations.
5813 </para>
5814 </listitem>
5815
5816 </itemizedlist>
5817
5818 </para>
5819
5820 </sect2>
5821
5822 <sect2>
5823 <title>List fusion</title>
5824
5825 <para>
5826 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5827 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5828 intermediate list should be eliminated entirely.
5829 </para>
5830
5831 <para>
5832 The following are good producers:
5833
5834 <itemizedlist>
5835 <listitem>
5836
5837 <para>
5838  List comprehensions
5839 </para>
5840 </listitem>
5841 <listitem>
5842
5843 <para>
5844  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5845 </para>
5846 </listitem>
5847 <listitem>
5848
5849 <para>
5850  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5851 </para>
5852 </listitem>
5853 <listitem>
5854
5855 <para>
5856  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5857 </para>
5858 </listitem>
5859 <listitem>
5860
5861 <para>
5862  <function>++</function>
5863 </para>
5864 </listitem>
5865
5866 <listitem>
5867 <para>
5868  <function>map</function>
5869 </para>
5870 </listitem>
5871
5872 <listitem>
5873 <para>
5874 <function>take</function>, <function>filter</function>
5875 </para>
5876 </listitem>
5877 <listitem>
5878
5879 <para>
5880  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5881 </para>
5882 </listitem>
5883 <listitem>
5884
5885 <para>
5886  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5887 </para>
5888 </listitem>
5889
5890 </itemizedlist>
5891
5892 </para>
5893
5894 <para>
5895 The following are good consumers:
5896
5897 <itemizedlist>
5898 <listitem>
5899
5900 <para>
5901  List comprehensions
5902 </para>
5903 </listitem>
5904 <listitem>
5905
5906 <para>
5907  <function>array</function> (on its second argument)
5908 </para>
5909 </listitem>
5910 <listitem>
5911
5912 <para>
5913  <function>length</function>
5914 </para>
5915 </listitem>
5916 <listitem>
5917
5918 <para>
5919  <function>++</function> (on its first argument)
5920 </para>
5921 </listitem>
5922
5923 <listitem>
5924 <para>
5925  <function>foldr</function>
5926 </para>
5927 </listitem>
5928
5929 <listitem>
5930 <para>
5931  <function>map</function>
5932 </para>
5933 </listitem>
5934 <listitem>
5935
5936 <para>
5937 <function>take</function>, <function>filter</function>
5938 </para>
5939 </listitem>
5940 <listitem>
5941
5942 <para>
5943  <function>concat</function>
5944 </para>
5945 </listitem>
5946 <listitem>
5947
5948 <para>
5949  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5950 </para>
5951 </listitem>
5952 <listitem>
5953
5954 <para>
5955  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5956 will fuse with one but not the other)
5957 </para>
5958 </listitem>
5959 <listitem>
5960
5961 <para>
5962  <function>partition</function>
5963 </para>
5964 </listitem>
5965 <listitem>
5966
5967 <para>
5968  <function>head</function>
5969 </para>
5970 </listitem>
5971 <listitem>
5972
5973 <para>
5974  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5975 </para>
5976 </listitem>
5977 <listitem>
5978
5979 <para>
5980  <function>sequence&lowbar;</function>
5981 </para>
5982 </listitem>
5983 <listitem>
5984
5985 <para>
5986  <function>msum</function>
5987 </para>
5988 </listitem>
5989 <listitem>
5990
5991 <para>
5992  <function>sortBy</function>
5993 </para>
5994 </listitem>
5995
5996 </itemizedlist>
5997
5998 </para>
5999
6000  <para>
6001 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
6002
6003 <programlisting>
6004 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
6005 </programlisting>
6006
6007 </para>
6008
6009 <para>
6010 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
6011 a lot which are not included, please tell us.
6012 </para>
6013
6014 <para>
6015 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
6016 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
6017 </para>
6018
6019 </sect2>
6020
6021 <sect2 id="rule-spec">
6022 <title>Specialisation
6023 </title>
6024
6025 <para>
6026 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
6027 present in earlier versions of GHC.
6028 For example, suppose that:
6029
6030 <programlisting>
6031 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
6032 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
6033 </programlisting>
6034
6035 where <function>intLookup</function> is an implementation of
6036 <function>genericLookup</function> that works very fast for
6037 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
6038 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
6039 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
6040 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
6041 It used to be possible to write
6042
6043 <programlisting>
6044 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
6045 </programlisting>
6046
6047 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
6048
6049 <programlisting>
6050 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
6051 </programlisting>
6052
6053 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
6054 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
6055 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
6056 What is more, this rule does not need to be in the same
6057 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
6058 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
6059 have an original definition available to specialise).
6060 </para>
6061
6062 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
6063 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
6064 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
6065
6066 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
6067 specialisation will Win Big:
6068
6069 <programlisting>
6070 toDouble :: Real a => a -> Double
6071 toDouble = fromRational . toRational
6072
6073 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
6074 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
6075 </programlisting>
6076
6077 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
6078 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
6079 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
6080 comparison.
6081 </para>
6082
6083 </sect2>
6084
6085 <sect2>
6086 <title>Controlling what's going on</title>
6087
6088 <para>
6089
6090 <itemizedlist>
6091 <listitem>
6092
6093 <para>
6094  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
6095 </para>
6096 </listitem>
6097 <listitem>
6098
6099 <para>
6100  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
6101 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
6102 </para>
6103 </listitem>
6104 <listitem>
6105
6106 <para>
6107  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
6108
6109 <programlisting>
6110         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
6111         {-# INLINE build #-}
6112         build g = g (:) []
6113 </programlisting>
6114
6115 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
6116 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
6117 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
6118 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
6119
6120 </para>
6121 </listitem>
6122 <listitem>
6123
6124 <para>
6125  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
6126 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
6127 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
6128 </para>
6129 </listitem>
6130
6131 </itemizedlist>
6132
6133 </para>
6134
6135 </sect2>
6136
6137 <sect2 id="core-pragma">
6138   <title>CORE pragma</title>
6139
6140   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
6141   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
6142   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
6143
6144 <para>
6145   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
6146   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
6147   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
6148   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
6149   literal as an argument.  The following function definition shows an
6150   example:
6151
6152 <programlisting>
6153 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
6154 </programlisting>
6155
6156   Semantically, this is equivalent to:
6157
6158 <programlisting>
6159 g x = show x
6160 </programlisting>
6161 </para>
6162
6163 <para>
6164   However, when external for is generated (via
6165   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
6166   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
6167   The core function declaration for <function>f</function> is:
6168 </para>
6169
6170 <programlisting>
6171   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
6172                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
6173     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
6174         (%note "foo"
6175          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
6176            {GHCziShow.ZCDShow
6177             (tpl1::GHCziBase.Int ->
6178                    a ->
6179                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6180 r)
6181             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
6182             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
6183                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6184 r) ->
6185               tpl2})
6186         (%note "foo"
6187          eta);
6188 </programlisting>
6189
6190 <para>
6191   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
6192   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
6193   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
6194   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
6195   <varname>x</varname>).
6196 </para>
6197
6198 </sect2>
6199
6200 </sect1>
6201
6202 <sect1 id="special-ids">
6203 <title>Special built-in functions</title>
6204 <para>GHC has a few built-in funcions with special behaviour, 
6205 described in this section.  All are exported by
6206 <literal>GHC.Exts</literal>.</para>
6207
6208 <sect2> <title>The <literal>inline</literal> function </title>
6209 <para>
6210 The <literal>inline</literal> function is somewhat experimental.
6211 <programlisting>
6212   inline :: a -> a
6213 </programlisting>
6214 The call <literal>(inline f)</literal> arranges that <literal>f</literal> 
6215 is inlined, regardless of its size.  More precisely, the call
6216 <literal>(inline f)</literal> rewrites to the right-hand side of <literal>f</literal>'s 
6217 definition.  
6218 This allows the programmer to control inlining from 
6219 a particular <emphasis>call site</emphasis>
6220 rather than the <emphasis>definition site</emphasis> of the function 
6221 (c.f. <literal>INLINE</literal> pragmas <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>).
6222 </para>
6223 <para>
6224 This inlining occurs regardless of the argument to the call
6225 or the size of <literal>f</literal>'s definition; it is unconditional.
6226 The main caveat is that <literal>f</literal>'s definition must be
6227 visible to the compiler.  That is, <literal>f</literal> must be
6228 let-bound in the current scope.
6229 If no inlining takes place, the <literal>inline</literal> function
6230 expands to the identity function in Phase zero; so its use imposes
6231 no overhead.</para>
6232
6233 <para> If the function is defined in another
6234 module, GHC only exposes its inlining in the interface file if the
6235 function is sufficiently small that it <emphasis>might</emphasis> be
6236 inlined by the automatic mechanism.  There is currently no way to tell
6237 GHC to expose arbitrarily-large functions in the interface file.  (This
6238 shortcoming is something that could be fixed, with some kind of pragma.)
6239 </para>
6240 </sect2>
6241
6242 <sect2> <title>The <literal>lazy</literal> function </title>
6243 <para>
6244 The <literal>lazy</literal> function restrains strictness analysis a little:
6245 <programlisting>
6246   lazy :: a -> a
6247 </programlisting>
6248 The call <literal>(lazy e)</literal> means the same as <literal>e</literal>, 
6249 but <literal>lazy</literal> has a magical property so far as strictness
6250 analysis is concerned: it is lazy in its first argument,
6251 even though its semantics is strict.  After strictness analysis has run,
6252 calls to <literal>lazy</literal> are inlined to be the identity function.
6253 </para>
6254 <para>
6255 This behaviour is occasionally useful when controlling evaluation order.
6256 Notably, <literal>lazy</literal> is used in the library definition of
6257 <literal>Control.Parallel.par</literal>:
6258 <programlisting>
6259   par :: a -> b -> b
6260   par x y = case (par# x) of { _ -> lazy y }
6261 </programlisting>
6262 If <literal>lazy</literal> were not lazy, <literal>par</literal> would
6263 look strict in <literal>y</literal> which would defeat the whole 
6264 purpose of <literal>par</literal>.
6265 </para>
6266 </sect2>
6267
6268 <sect2> <title>The <literal>unsafeCoerce#</literal> function </title>
6269 <para>
6270 The function <literal>unsafeCoerce#</literal> allows you to side-step the
6271 typechecker entirely.  It has type
6272 <programlisting>
6273   unsafeCoerce# :: a -> b
6274 </programlisting>
6275 That is, it allows you to coerce any type into any other type.  If you use this
6276 function, you had better get it right, otherwise segmentation faults await. 
6277 It is generally used when you want to write a program that you know is
6278 well-typed, but where Haskell's type system is not expressive enough to prove
6279 that it is well typed.
6280 </para>
6281 </sect2>
6282 </sect1>
6283
6284
6285 <sect1 id="generic-classes">
6286 <title>Generic classes</title>
6287
6288     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
6289     GHC 5.02).</para>
6290
6291 <para>
6292 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
6293 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
6294 An example will give the idea:
6295 </para>
6296
6297 <programlisting>
6298   import Generics
6299
6300   class Bin a where
6301     toBin   :: a -> [Int]
6302     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
6303   
6304     toBin {| Unit |}    Unit      = []
6305     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
6306     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
6307     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
6308   
6309     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
6310     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
6311     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
6312     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
6313                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
6314 </programlisting>
6315 <para>
6316 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
6317 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
6318 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
6319 </para>
6320 <programlisting>
6321   data Unit    = Unit
6322   data a :+: b = Inl a | Inr b
6323   data a :*: b = a :*: b
6324 </programlisting>
6325 <para>
6326 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
6327 <programlisting>
6328   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
6329   instance Bin a => Bin [a]
6330 </programlisting>
6331 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
6332 where clause and over-ride whichever methods you please.
6333 </para>
6334
6335     <sect2>
6336       <title> Using generics </title>
6337       <para>To use generics you need to</para>
6338       <itemizedlist>
6339         <listitem>
6340           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
6341                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
6342                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
6343                 available.  </para>
6344         </listitem>
6345         <listitem>
6346           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
6347           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
6348           scope the data types <literal>Unit</literal>,
6349           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
6350           don't need this import if you don't mention these types
6351           explicitly; for example, if you are simply giving instance
6352           declarations.)</para>
6353         </listitem>
6354       </itemizedlist>
6355     </sect2>
6356
6357 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
6358 <para>
6359 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
6360 can be written infix (indeed, you can now use
6361 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
6362 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
6363 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
6364 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
6365 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
6366 anticipate wanting).
6367 </para>
6368 </sect2>
6369
6370 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
6371 <para>
6372 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
6373 is one that is defined using type patterns as above.
6374 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
6375 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
6376 generic default method.
6377 </para>
6378
6379 <para>
6380 Restrictions:
6381 <itemizedlist>
6382 <listitem>
6383 <para>
6384 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
6385 field labels.
6386 </para>
6387 </listitem>
6388
6389 <listitem>
6390 <para>
6391 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
6392 multi-parameter class.
6393 </para>
6394 </listitem>
6395
6396 <listitem>
6397 <para>
6398 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
6399 without.  So this is illegal:
6400 <programlisting>
6401   class Foo a where
6402     op :: a -> (a, Bool)
6403     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
6404     op x               = (x,    False)
6405 </programlisting>
6406 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
6407 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
6408 </para>
6409 </listitem>
6410
6411 <listitem>
6412 <para>
6413 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
6414 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:
6415 <programlisting>
6416   class Foo a where
6417     op :: a -> Bool
6418     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
6419     ...
6420 </programlisting>
6421 </para>
6422 </listitem>
6423
6424 <listitem>
6425 <para>
6426 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
6427 <programlisting>
6428        a :+: b
6429        a :*: b
6430        Unit
6431 </programlisting>
6432 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
6433 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
6434 must use the same type variables.  So this is illegal:
6435 <programlisting>
6436   class Foo a where
6437     op :: a -> Bool
6438     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
6439     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
6440 </programlisting>
6441 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
6442 So this too is illegal:
6443 <programlisting>
6444   class Foo a where
6445     op1 :: a -> Bool
6446     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
6447
6448     op2 :: a -> Bool
6449     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
6450 </programlisting>
6451 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
6452 into a single generic instance declaration.)
6453 </para>
6454 </listitem>
6455
6456 <listitem>
6457 <para>
6458 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
6459 </para>
6460 </listitem>
6461
6462 <listitem>
6463 <para>
6464 The type for a generic method can be built only from:
6465   <itemizedlist>
6466   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
6467   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
6468   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
6469   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
6470   </itemizedlist>
6471 Here are some example type signatures for generic methods:
6472 <programlisting>
6473     op1 :: a -> Bool
6474     op2 :: Bool -> (a,Bool)
6475     op3 :: [Int] -> a -> a
6476     op4 :: [a] -> Bool
6477 </programlisting>
6478 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
6479 inside a list.  
6480 </para>
6481 <para>
6482 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
6483 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
6484 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
6485 to the ones that are allowed.</para>
6486 </listitem>
6487
6488 <listitem>
6489 <para>
6490 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
6491 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
6492 do so if
6493   <itemizedlist>
6494   <listitem>
6495   <para>
6496   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
6497   </para>
6498   </listitem>
6499   <listitem>
6500   <para>
6501   No constructor of the instance type has unboxed fields.
6502   </para>
6503   </listitem>
6504   </itemizedlist>
6505 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
6506 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
6507 provided you give explicit code to override any generic default methods.
6508 </para>
6509 </listitem>
6510
6511 </itemizedlist>
6512 </para>
6513
6514 <para>
6515 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
6516 what the compiler does with generic declarations.
6517 </para>
6518
6519 </sect2>
6520
6521 <sect2> <title> Another example </title>
6522 <para>
6523 Just to finish with, here's another example I rather like:
6524 <programlisting>
6525   class Tag a where
6526     nCons :: a -> Int
6527     nCons {| Unit |}    _ = 1
6528     nCons {| a :*: b |} _ = 1
6529     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
6530   
6531     tag :: a -> Int
6532     tag {| Unit |}    _       = 1
6533     tag {| a :*: b |} _       = 1   
6534     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
6535     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
6536 </programlisting>
6537 </para>
6538 </sect2>
6539 </sect1>
6540
6541 <sect1 id="monomorphism">
6542 <title>Control over monomorphism</title>
6543
6544 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
6545 carried out at let and where bindings.
6546 </para>
6547
6548 <sect2>
6549 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
6550           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
6551
6552 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
6553 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
6554 4.5.5</ulink>
6555 of the Haskell Report)
6556 can be completely switched off by
6557 <option>-fno-monomorphism-restriction</option>.
6558 </para>
6559 </sect2>
6560
6561 <sect2>
6562 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
6563           <indexterm><primary><option>-fno-mono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6564           <indexterm><primary><option>-fmono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6565
6566           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
6567           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
6568             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
6569             and is not a simple variable.  For example:
6570 <programlisting>
6571   f x = x                    -- Not a pattern binding
6572   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
6573   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
6574
6575   (g,h) = e                  -- A pattern binding
6576   (f) = e                    -- A pattern binding
6577   [x] = e                    -- A pattern binding
6578 </programlisting>
6579 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
6580 default</emphasis>.  Use <option>-fno-mono-pat-binds</option> to recover the
6581 standard behaviour.
6582 </para>
6583 </sect2>
6584 </sect1>
6585
6586
6587
6588 <!-- Emacs stuff:
6589      ;;; Local Variables: ***
6590      ;;; mode: xml ***
6591      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
6592      ;;; End: ***
6593  -->
6594