Improve documentation of overlapping instances
[ghc-hetmet.git] / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>The language option flag control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>Generally speaking, all the language options are introduced by "<option>-X</option>", 
46     e.g. <option>-XTemplateHaskell</option>.
47     </para>
48
49    <para> All the language options can be turned off by using the prefix "<option>No</option>"; 
50       e.g. "<option>-XNoTemplateHaskell</option>".</para>
51
52    <para> Language options recognised by Cabal can also be enabled using the <literal>LANGUAGE</literal> pragma,
53    thus <literal>{-# LANGUAGE TemplateHaskell #-}</literal> (see <xref linkend="language-pragma"/>>). </para>
54
55     <para>The flag <option>-fglasgow-exts</option>:
56           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
57           simultaneously enables the following extensions: 
58             <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
59             <option>-XImplicitParams</option>,
60             <option>-XScopedTypeVariables</option>,
61             <option>-XGADTs</option>, 
62             <option>-XTypeFamilies</option>.
63             Enabling these options is the <emphasis>only</emphasis> 
64             effect of <options>-fglasgow-exts</options>
65           We are trying to move away from this portmanteau flag, 
66           and towards enabling features individually.</para>
67
68   </sect1>
69
70 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
71 <sect1 id="primitives">
72   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
73
74 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations;
75 "primitive" in the sense that they cannot be defined in Haskell itself.
76 While you really can use this stuff to write fast code,
77   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
78   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
79   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
80   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
81   about it.</para>
82
83 <para>All these primitive data types and operations are exported by the 
84 library <literal>GHC.Prim</literal>, for which there is 
85 <ulink url="../libraries/base/GHC.Prim.html">detailed online documentation</ulink>.
86 (This documentation is generated from the file <filename>compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.)
87 </para>
88 <para>
89 If you want to mention any of the primitive data types or operations in your
90 program, you must first import <literal>GHC.Prim</literal> to bring them
91 into scope.  Many of them have names ending in "&num;", and to mention such
92 names you need the <option>-XMagicHash</option> extension (<xref linkend="magic-hash"/>).
93 </para>
94
95 <para>The primops make extensive use of <link linkend="glasgow-unboxed">unboxed types</link> 
96 and <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link>, which
97 we briefly summarise here. </para>
98   
99 <sect2 id="glasgow-unboxed">
100 <title>Unboxed types
101 </title>
102
103 <para>
104 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
105 </para>
106
107 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
108 that values of that type are represented by a pointer to a heap
109 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
110 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
111 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
112 allocation are involved.
113 </para>
114
115 <para>
116 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
117 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
118 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
119 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
120 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
121 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
122 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
123 know and love&mdash;usually one instruction.
124 </para>
125
126 <para>
127 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
128 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
129 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
130 bottom.  We use the convention (but it is only a convention) 
131 that primitive types, values, and
132 operations have a <literal>&num;</literal> suffix (see <xref linkend="magic-hash"/>).
133 For some primitive types we have special syntax for literals, also
134 described in the <link linkend="magic-hash">same section</link>.
135 </para>
136
137 <para>
138 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
139 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
140 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
141 a primitive value might be represented by a pointer to a
142 heap-allocated object.  Examples include
143 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
144 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
145 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
146 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
147 represents a primitive value, then it really does point to that value:
148 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
149 other end of the pointer than the primitive value.
150 A numerically-intensive program using unboxed types can
151 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
152 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
153 </para>
154
155 <para>
156 There are some restrictions on the use of primitive types:
157 <itemizedlist>
158 <listitem><para>The main restriction
159 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
160 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
161 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
162 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
163 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
164 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
165 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
166 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
167 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
168 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
169 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
170 </para>
171 </listitem>
172 <listitem><para> You cannot define a newtype whose representation type
173 (the argument type of the data constructor) is an unboxed type.  Thus,
174 this is illegal:
175 <programlisting>
176   newtype A = MkA Int#
177 </programlisting>
178 </para></listitem>
179 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
180 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
181 </para></listitem>
182 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
183 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
184 </para></listitem>
185 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
186 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
187 pattern-match
188 to become strict.  For example:
189 <programlisting>
190   data Foo = Foo Int Int#
191
192   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
193 </programlisting>
194 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
195 match
196 is strict, and the program behaves as if you had written
197 <programlisting>
198   data Foo = Foo Int Int#
199
200   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
201 </programlisting>
202 </para>
203 </listitem>
204 </itemizedlist>
205 </para>
206
207 </sect2>
208
209 <sect2 id="unboxed-tuples">
210 <title>Unboxed Tuples
211 </title>
212
213 <para>
214 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
215 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
216 unboxed tuple looks like this:
217 </para>
218
219 <para>
220
221 <programlisting>
222 (# e_1, ..., e_n #)
223 </programlisting>
224
225 </para>
226
227 <para>
228 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
229 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
230 the same.
231 </para>
232
233 <para>
234 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
235 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
236 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
237 components are put directly into registers or on the stack; the
238 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
239 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
240 tuples.
241 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
242 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
243 </para>
244
245 <para>
246 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
247 <itemizedlist>
248 <listitem>
249
250 <para>
251 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
252 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
253 structures or passed to polymorphic functions.
254
255 </para>
256 </listitem>
257 <listitem>
258
259 <para>
260 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
261 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
262
263
264 <programlisting>
265   data Foo = Foo (# Int, Int #)
266
267   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
268   f x = x
269
270   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
271   g (# a,b #) = a
272
273   h x = let y = (# x,x #) in ...
274 </programlisting>
275 </para>
276 </listitem>
277 </itemizedlist>
278 </para>
279 <para>
280 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
281 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
282 <programlisting>
283   f x y = (# x+1, y-1 #)
284   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
285 </programlisting>
286 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
287 <programlisting>
288   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
289 </programlisting>
290 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
291 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
292 above example desugars like this:
293 <programlisting>
294   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
295             p = fst t
296             q = snd t
297         in ..body..
298 </programlisting>
299 Indeed, the bindings can even be recursive.
300 </para>
301
302 </sect2>
303 </sect1>
304
305
306 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
307
308 <sect1 id="syntax-extns">
309 <title>Syntactic extensions</title>
310  
311     <sect2 id="magic-hash">
312       <title>The magic hash</title>
313       <para>The language extension <option>-XMagicHash</option> allows "&num;" as a
314         postfix modifier to identifiers.  Thus, "x&num;" is a valid variable, and "T&num;" is
315         a valid type constructor or data constructor.</para>
316
317       <para>The hash sign does not change sematics at all.  We tend to use variable
318         names ending in "&num;" for unboxed values or types (e.g. <literal>Int&num;</literal>), 
319         but there is no requirement to do so; they are just plain ordinary variables.
320         Nor does the <option>-XMagicHash</option> extension bring anything into scope.
321         For example, to bring <literal>Int&num;</literal> into scope you must 
322         import <literal>GHC.Prim</literal> (see <xref linkend="primitives"/>); 
323         the <option>-XMagicHash</option> extension
324         then allows you to <emphasis>refer</emphasis> to the <literal>Int&num;</literal>
325         that is now in scope.</para>
326       <para> The <option>-XMagicHash</option> also enables some new forms of literals (see <xref linkend="glasgow-unboxed"/>):
327         <itemizedlist> 
328           <listitem><para> <literal>'x'&num;</literal> has type <literal>Char&num;</literal></para> </listitem>
329           <listitem><para> <literal>&quot;foo&quot;&num;</literal> has type <literal>Addr&num;</literal></para> </listitem>
330           <listitem><para> <literal>3&num;</literal> has type <literal>Int&num;</literal>. In general,
331           any Haskell 98 integer lexeme followed by a <literal>&num;</literal> is an <literal>Int&num;</literal> literal, e.g.
332             <literal>-0x3A&num;</literal> as well as <literal>32&num;</literal></para>.</listitem>
333           <listitem><para> <literal>3&num;&num;</literal> has type <literal>Word&num;</literal>. In general,
334           any non-negative Haskell 98 integer lexeme followed by <literal>&num;&num;</literal> 
335               is a <literal>Word&num;</literal>. </para> </listitem>
336           <listitem><para> <literal>3.2&num;</literal> has type <literal>Float&num;</literal>.</para> </listitem>
337           <listitem><para> <literal>3.2&num;&num;</literal> has type <literal>Double&num;</literal></para> </listitem>
338           </itemizedlist>
339       </para>
340    </sect2>
341
342     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
343
344
345     <sect2 id="hierarchical-modules">
346       <title>Hierarchical Modules</title>
347
348       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
349       names: a module name is allowed to contain a dot
350       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
351       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
352       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
353       more flexible hierarchy of modules.</para>
354
355       <para>This extension has very little impact on the language
356       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
357       qualified, so you can just think of the fully qualified module
358       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
359       means that the full module name must be given after the
360       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
361       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
362       begin</para>
363
364 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
365
366
367       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
368       keyword to save some typing when using qualified names with
369       hierarchical modules.  For example:</para>
370
371 <programlisting>
372 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
373 </programlisting>
374
375       <para>For details on how GHC searches for source and interface
376       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
377       linkend="search-path"/>.</para>
378
379       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
380       hierarchically; see the accompanying <ulink
381       url="../libraries/index.html">library
382       documentation</ulink>.  More libraries to install are available
383       from <ulink
384       url="http://hackage.haskell.org/packages/hackage.html">HackageDB</ulink>.</para>
385     </sect2>
386
387     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
388
389 <sect2 id="pattern-guards">
390 <title>Pattern guards</title>
391
392 <para>
393 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
394 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.)
395 </para>
396
397 <para>
398 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
399 lookup operation:
400
401 <programlisting>
402 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
403 </programlisting>
404
405 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
406 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
407 </para>
408
409 <programlisting>
410 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
411 | otherwise  = var1 + var2
412 where
413   m1 = lookup env var1
414   m2 = lookup env var2
415   ok1 = maybeToBool m1
416   ok2 = maybeToBool m2
417   val1 = expectJust m1
418   val2 = expectJust m2
419 </programlisting>
420
421 <para>
422 The auxiliary functions are 
423 </para>
424
425 <programlisting>
426 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
427 maybeToBool (Just x) = True
428 maybeToBool Nothing  = False
429
430 expectJust :: Maybe a -&gt; a
431 expectJust (Just x) = x
432 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
433 </programlisting>
434
435 <para>
436 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
437 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
438 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
439 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
440 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
441 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
442 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
443 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
444 </para>
445
446 <para>
447 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
448 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
449 to write clunky would be to use case expressions:
450 </para>
451
452 <programlisting>
453 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
454   Nothing -&gt; fail
455   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
456     Nothing -&gt; fail
457     Just val2 -&gt; val1 + val2
458 where
459   fail = var1 + var2
460 </programlisting>
461
462 <para>
463 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
464 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
465 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
466 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
467 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
468 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
469 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
470 tends to become more and more indented. 
471 </para>
472
473 <para>
474 Here is how I would write clunky:
475 </para>
476
477 <programlisting>
478 clunky env var1 var2
479   | Just val1 &lt;- lookup env var1
480   , Just val2 &lt;- lookup env var2
481   = val1 + val2
482 ...other equations for clunky...
483 </programlisting>
484
485 <para>
486 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
487 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
488 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
489 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
490 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
491 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
492 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
493 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
494 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
495 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
496 </para>
497
498 <para>
499 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
500 with among the pattern guards.  For example:
501 </para>
502
503 <programlisting>
504 f x | [y] &lt;- x
505     , y > 3
506     , Just z &lt;- h y
507     = ...
508 </programlisting>
509
510 <para>
511 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
512 qualifier list has just one element, a boolean expression.
513 </para>
514 </sect2>
515
516     <!-- ===================== View patterns ===================  -->
517
518 <sect2 id="view-patterns">
519 <title>View patterns
520 </title>
521
522 <para>
523 View patterns are enabled by the flag <literal>-XViewPatterns</literal>.
524 More information and examples of view patterns can be found on the
525 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/ViewPatterns">Wiki
526 page</ulink>.
527 </para>
528
529 <para>
530 View patterns are somewhat like pattern guards that can be nested inside
531 of other patterns.  They are a convenient way of pattern-matching
532 against values of abstract types. For example, in a programming language
533 implementation, we might represent the syntax of the types of the
534 language as follows:
535
536 <programlisting>
537 type Typ
538  
539 data TypView = Unit
540              | Arrow Typ Typ
541
542 view :: Type -> TypeView
543
544 -- additional operations for constructing Typ's ...
545 </programlisting>
546
547 The representation of Typ is held abstract, permitting implementations
548 to use a fancy representation (e.g., hash-consing to manage sharing).
549
550 Without view patterns, using this signature a little inconvenient: 
551 <programlisting>
552 size :: Typ -> Integer
553 size t = case view t of
554   Unit -> 1
555   Arrow t1 t2 -> size t1 + size t2
556 </programlisting>
557
558 It is necessary to iterate the case, rather than using an equational
559 function definition. And the situation is even worse when the matching
560 against <literal>t</literal> is buried deep inside another pattern.
561 </para>
562
563 <para>
564 View patterns permit calling the view function inside the pattern and
565 matching against the result: 
566 <programlisting>
567 size (view -> Unit) = 1
568 size (view -> Arrow t1 t2) = size t1 + size t2
569 </programlisting>
570
571 That is, we add a new form of pattern, written
572 <replaceable>expression</replaceable> <literal>-></literal>
573 <replaceable>pattern</replaceable> that means "apply the expression to
574 whatever we're trying to match against, and then match the result of
575 that application against the pattern". The expression can be any Haskell
576 expression of function type, and view patterns can be used wherever
577 patterns are used.
578 </para>
579
580 <para>
581 The semantics of a pattern <literal>(</literal>
582 <replaceable>exp</replaceable> <literal>-></literal>
583 <replaceable>pat</replaceable> <literal>)</literal> are as follows:
584
585 <itemizedlist>
586
587 <listitem> Scoping:
588
589 <para>The variables bound by the view pattern are the variables bound by
590 <replaceable>pat</replaceable>.
591 </para>
592
593 <para>
594 Any variables in <replaceable>exp</replaceable> are bound occurrences,
595 but variables bound "to the left" in a pattern are in scope.  This
596 feature permits, for example, one argument to a function to be used in
597 the view of another argument.  For example, the function
598 <literal>clunky</literal> from <xref linkend="pattern-guards" /> can be
599 written using view patterns as follows:
600
601 <programlisting>
602 clunky env (lookup env -> Just val1) (lookup env -> Just val2) = val1 + val2
603 ...other equations for clunky...
604 </programlisting>
605 </para>
606
607 <para>
608 More precisely, the scoping rules are: 
609 <itemizedlist>
610 <listitem>
611 <para>
612 In a single pattern, variables bound by patterns to the left of a view
613 pattern expression are in scope. For example:
614 <programlisting>
615 example :: Maybe ((String -> Integer,Integer), String) -> Bool
616 example Just ((f,_), f -> 4) = True
617 </programlisting>
618
619 Additionally, in function definitions, variables bound by matching earlier curried
620 arguments may be used in view pattern expressions in later arguments:
621 <programlisting>
622 example :: (String -> Integer) -> String -> Bool
623 example f (f -> 4) = True
624 </programlisting>
625 That is, the scoping is the same as it would be if the curried arguments
626 were collected into a tuple.  
627 </para>
628 </listitem>
629
630 <listitem>
631 <para>
632 In mutually recursive bindings, such as <literal>let</literal>,
633 <literal>where</literal>, or the top level, view patterns in one
634 declaration may not mention variables bound by other declarations.  That
635 is, each declaration must be self-contained.  For example, the following
636 program is not allowed:
637 <programlisting>
638 let {(x -> y) = e1 ;
639      (y -> x) = e2 } in x
640 </programlisting>
641
642 (We may lift this
643 restriction in the future; the only cost is that type checking patterns
644 would get a little more complicated.)  
645
646
647 </para>
648 </listitem>
649 </itemizedlist>
650
651 </para>
652 </listitem>
653
654 <listitem><para> Typing: If <replaceable>exp</replaceable> has type
655 <replaceable>T1</replaceable> <literal>-></literal>
656 <replaceable>T2</replaceable> and <replaceable>pat</replaceable> matches
657 a <replaceable>T2</replaceable>, then the whole view pattern matches a
658 <replaceable>T1</replaceable>.
659 </para></listitem>
660
661 <listitem><para> Matching: To the equations in Section 3.17.3 of the
662 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/">Haskell 98
663 Report</ulink>, add the following:
664 <programlisting>
665 case v of { (e -> p) -> e1 ; _ -> e2 } 
666  = 
667 case (e v) of { p -> e1 ; _ -> e2 }
668 </programlisting>
669 That is, to match a variable <replaceable>v</replaceable> against a pattern
670 <literal>(</literal> <replaceable>exp</replaceable>
671 <literal>-></literal> <replaceable>pat</replaceable>
672 <literal>)</literal>, evaluate <literal>(</literal>
673 <replaceable>exp</replaceable> <replaceable> v</replaceable>
674 <literal>)</literal> and match the result against
675 <replaceable>pat</replaceable>.  
676 </para></listitem>
677
678 <listitem><para> Efficiency: When the same view function is applied in
679 multiple branches of a function definition or a case expression (e.g.,
680 in <literal>size</literal> above), GHC makes an attempt to collect these
681 applications into a single nested case expression, so that the view
682 function is only applied once.  Pattern compilation in GHC follows the
683 matrix algorithm described in Chapter 4 of <ulink
684 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/slpj-book-1987/">The
685 Implementation of Functional Programming Languages</ulink>.  When the
686 top rows of the first column of a matrix are all view patterns with the
687 "same" expression, these patterns are transformed into a single nested
688 case.  This includes, for example, adjacent view patterns that line up
689 in a tuple, as in
690 <programlisting>
691 f ((view -> A, p1), p2) = e1
692 f ((view -> B, p3), p4) = e2
693 </programlisting>
694 </para>
695
696 <para> The current notion of when two view pattern expressions are "the
697 same" is very restricted: it is not even full syntactic equality.
698 However, it does include variables, literals, applications, and tuples;
699 e.g., two instances of <literal>view ("hi", "there")</literal> will be
700 collected.  However, the current implementation does not compare up to
701 alpha-equivalence, so two instances of <literal>(x, view x ->
702 y)</literal> will not be coalesced.
703 </para>
704
705 </listitem>
706
707 </itemizedlist>
708 </para>
709
710 </sect2>
711
712     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
713
714 <sect2 id="mdo-notation">
715 <title>The recursive do-notation
716 </title>
717
718 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
719 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>,
720 by Levent Erkok, John Launchbury,
721 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
722 This paper is essential reading for anyone making non-trivial use of mdo-notation,
723 and we do not repeat it here.
724 </para>
725 <para>
726 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
727 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
728 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
729 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
730 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
731 </para>
732 <para>
733 Here is a simple (yet contrived) example:
734 </para>
735 <programlisting>
736 import Control.Monad.Fix
737
738 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
739                return xs
740 </programlisting>
741 <para>
742 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
743 </para>
744
745 <para>
746 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
747 </para>
748 <programlisting>
749 class Monad m => MonadFix m where
750    mfix :: (a -> m a) -> m a
751 </programlisting>
752 <para>
753 The function <literal>mfix</literal>
754 dictates how the required recursion operation should be performed.  For example, 
755 <literal>justOnes</literal> desugars as follows:
756 <programlisting>
757 justOnes = mfix (\xs' -&gt; do { xs &lt;- Just (1:xs'); return xs }
758 </programlisting>
759 For full details of the way in which mdo is typechecked and desugared, see 
760 the paper <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>.
761 In particular, GHC implements the segmentation technique described in Section 3.2 of the paper.
762 </para>
763 <para>
764 If recursive bindings are required for a monad,
765 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
766 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
767 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
768 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
769 </para>
770 <para>
771 Here are some important points in using the recursive-do notation:
772 <itemizedlist>
773 <listitem><para>
774 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
775 than <literal>do</literal>).
776 </para></listitem>
777
778 <listitem><para>
779 It is enabled with the flag <literal>-XRecursiveDo</literal>, which is in turn implied by
780 <literal>-fglasgow-exts</literal>.
781 </para></listitem>
782
783 <listitem><para>
784 Unlike ordinary do-notation, but like <literal>let</literal> and <literal>where</literal> bindings,
785 name shadowing is not allowed; that is, all the names bound in a single <literal>mdo</literal> must
786 be distinct (Section 3.3 of the paper).
787 </para></listitem>
788
789 <listitem><para>
790 Variables bound by a <literal>let</literal> statement in an <literal>mdo</literal>
791 are monomorphic in the <literal>mdo</literal> (Section 3.1 of the paper).  However
792 GHC breaks the <literal>mdo</literal> into segments to enhance polymorphism,
793 and improve termination (Section 3.2 of the paper).
794 </para></listitem>
795 </itemizedlist>
796 </para>
797
798 <para>
799 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb/">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb/</ulink>
800 contains up to date information on recursive monadic bindings.
801 </para>
802
803 <para>
804 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
805 of the existing documents) used the name
806 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
807 This name is not supported by GHC.
808 </para>
809
810 </sect2>
811
812
813    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
814
815   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
816     <title>Parallel List Comprehensions</title>
817     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
818     </indexterm>
819     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
820     </indexterm>
821
822     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
823     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
824     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
825     extend this to include the zipWith family.</para>
826
827     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
828     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
829     example, the following zips together two lists:</para>
830
831 <programlisting>
832    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
833 </programlisting>
834
835     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
836     zip, in that the resulting list will have the same length as the
837     shortest branch.</para>
838
839     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
840     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
841
842     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
843
844 <programlisting>
845    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
846        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
847        ... 
848    ] 
849 </programlisting>
850
851     <para>This will be translated to: </para>
852
853 <programlisting>
854    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
855                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
856                                          ... 
857    ] 
858 </programlisting>
859
860     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
861     branches.</para>
862
863   </sect2>
864   
865   <!-- ===================== TRANSFORM LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
866
867   <sect2 id="generalised-list-comprehensions">
868     <title>Generalised (SQL-Like) List Comprehensions</title>
869     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>generalised</secondary>
870     </indexterm>
871     <indexterm><primary>extended list comprehensions</primary>
872     </indexterm>
873     <indexterm><primary>group</primary></indexterm>
874     <indexterm><primary>sql</primary></indexterm>
875
876
877     <para>Generalised list comprehensions are a further enhancement to the
878     list comprehension syntatic sugar to allow operations such as sorting
879     and grouping which are familiar from SQL.   They are fully described in the
880         paper <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/list-comp">
881           Comprehensive comprehensions: comprehensions with "order by" and "group by"</ulink>,
882     except that the syntax we use differs slightly from the paper.</para>
883 <para>Here is an example: 
884 <programlisting>
885 employees = [ ("Simon", "MS", 80)
886 , ("Erik", "MS", 100)
887 , ("Phil", "Ed", 40)
888 , ("Gordon", "Ed", 45)
889 , ("Paul", "Yale", 60)]
890
891 output = [ (the dept, sum salary)
892 | (name, dept, salary) &lt;- employees
893 , then group by dept
894 , then sortWith by (sum salary)
895 , then take 5 ]
896 </programlisting>
897 In this example, the list <literal>output</literal> would take on 
898     the value:
899     
900 <programlisting>
901 [("Yale", 60), ("Ed", 85), ("MS", 180)]
902 </programlisting>
903 </para>
904 <para>There are three new keywords: <literal>group</literal>, <literal>by</literal>, and <literal>using</literal>.
905 (The function <literal>sortWith</literal> is not a keyword; it is an ordinary
906 function that is exported by <literal>GHC.Exts</literal>.)</para>
907
908 <para>There are five new forms of comprehension qualifier,
909 all introduced by the (existing) keyword <literal>then</literal>:
910     <itemizedlist>
911     <listitem>
912     
913 <programlisting>
914 then f
915 </programlisting>
916
917     This statement requires that <literal>f</literal> have the type <literal>
918     forall a. [a] -> [a]</literal>. You can see an example of it's use in the
919     motivating example, as this form is used to apply <literal>take 5</literal>.
920     
921     </listitem>
922     
923     
924     <listitem>
925 <para>
926 <programlisting>
927 then f by e
928 </programlisting>
929
930     This form is similar to the previous one, but allows you to create a function
931     which will be passed as the first argument to f. As a consequence f must have 
932     the type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [a]</literal>. As you can see
933     from the type, this function lets f &quot;project out&quot; some information 
934     from the elements of the list it is transforming.</para>
935
936     <para>An example is shown in the opening example, where <literal>sortWith</literal> 
937     is supplied with a function that lets it find out the <literal>sum salary</literal> 
938     for any item in the list comprehension it transforms.</para>
939
940     </listitem>
941
942
943     <listitem>
944
945 <programlisting>
946 then group by e using f
947 </programlisting>
948
949     <para>This is the most general of the grouping-type statements. In this form,
950     f is required to have type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [[a]]</literal>.
951     As with the <literal>then f by e</literal> case above, the first argument
952     is a function supplied to f by the compiler which lets it compute e on every
953     element of the list being transformed. However, unlike the non-grouping case,
954     f additionally partitions the list into a number of sublists: this means that
955     at every point after this statement, binders occurring before it in the comprehension
956     refer to <emphasis>lists</emphasis> of possible values, not single values. To help understand
957     this, let's look at an example:</para>
958     
959 <programlisting>
960 -- This works similarly to groupWith in GHC.Exts, but doesn't sort its input first
961 groupRuns :: Eq b => (a -> b) -> [a] -> [[a]]
962 groupRuns f = groupBy (\x y -> f x == f y)
963
964 output = [ (the x, y)
965 | x &lt;- ([1..3] ++ [1..2])
966 , y &lt;- [4..6]
967 , then group by x using groupRuns ]
968 </programlisting>
969
970     <para>This results in the variable <literal>output</literal> taking on the value below:</para>
971
972 <programlisting>
973 [(1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6]), (3, [4, 5, 6]), (1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6])]
974 </programlisting>
975
976     <para>Note that we have used the <literal>the</literal> function to change the type 
977     of x from a list to its original numeric type. The variable y, in contrast, is left 
978     unchanged from the list form introduced by the grouping.</para>
979
980     </listitem>
981
982     <listitem>
983
984 <programlisting>
985 then group by e
986 </programlisting>
987
988     <para>This form of grouping is essentially the same as the one described above. However,
989     since no function to use for the grouping has been supplied it will fall back on the
990     <literal>groupWith</literal> function defined in 
991     <ulink url="../libraries/base/GHC-Exts.html"><literal>GHC.Exts</literal></ulink>. This
992     is the form of the group statement that we made use of in the opening example.</para>
993
994     </listitem>
995     
996     
997     <listitem>
998
999 <programlisting>
1000 then group using f
1001 </programlisting>
1002
1003     <para>With this form of the group statement, f is required to simply have the type
1004     <literal>forall a. [a] -> [[a]]</literal>, which will be used to group up the
1005     comprehension so far directly. An example of this form is as follows:</para>
1006     
1007 <programlisting>
1008 output = [ x
1009 | y &lt;- [1..5]
1010 , x &lt;- "hello"
1011 , then group using inits]
1012 </programlisting>
1013
1014     <para>This will yield a list containing every prefix of the word "hello" written out 5 times:</para>
1015
1016 <programlisting>
1017 ["","h","he","hel","hell","hello","helloh","hellohe","hellohel","hellohell","hellohello","hellohelloh",...]
1018 </programlisting>
1019
1020     </listitem>
1021 </itemizedlist>
1022 </para>
1023   </sect2>
1024
1025    <!-- ===================== REBINDABLE SYNTAX ===================  -->
1026
1027 <sect2 id="rebindable-syntax">
1028 <title>Rebindable syntax and the implicit Prelude import</title>
1029
1030  <para><indexterm><primary>-XNoImplicitPrelude
1031  option</primary></indexterm> GHC normally imports
1032  <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
1033  rather it didn't, then give it a
1034  <option>-XNoImplicitPrelude</option> option.  The idea is
1035  that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
1036  call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
1037  namespace is flat, and you must not conflict with any
1038  Prelude module.)</para>
1039
1040             <para>Suppose you are importing a Prelude of your own
1041               in order to define your own numeric class
1042             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
1043             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
1044             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
1045             So the <option>-XNoImplicitPrelude</option> 
1046               flag <emphasis>also</emphasis> causes
1047             the following pieces of built-in syntax to refer to
1048             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
1049             versions:
1050             <itemizedlist>
1051               <listitem>
1052                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
1053                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
1054                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
1055 </para> </listitem>         
1056
1057       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
1058           except that the translation is 
1059               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
1060 </para> </listitem>         
1061
1062           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
1063               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
1064 </para> </listitem>         
1065
1066           <listitem><para>The subtraction operation, and the
1067           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
1068               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
1069               </para></listitem>
1070
1071               <listitem>
1072                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
1073                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
1074                 patterns, and expressions.
1075               </para></listitem>
1076
1077               <listitem>
1078           <para>"Do" notation is translated using whatever
1079               functions <literal>(>>=)</literal>,
1080               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
1081               are in scope (not the Prelude
1082               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
1083               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
1084
1085               <listitem>
1086                 <para>Arrow
1087                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
1088                 uses whatever <literal>arr</literal>,
1089                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
1090                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
1091                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
1092                 other constructs, the types of these functions must match the
1093                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
1094                 to use this, ask!
1095               </para></listitem>
1096             </itemizedlist>
1097 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
1098 even if that is a little unexpected. For example, the 
1099 static semantics of the literal <literal>368</literal>
1100 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
1101 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
1102 <programlisting>
1103 fromInteger :: Integer -> Integer
1104 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
1105 fromInteger :: Num a => a -> Integer
1106 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
1107 </programlisting>
1108 </para>
1109                 
1110              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
1111              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
1112              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
1113              you should be all right.</para>
1114
1115 </sect2>
1116
1117 <sect2 id="postfix-operators">
1118 <title>Postfix operators</title>
1119
1120 <para>
1121 GHC allows a small extension to the syntax of left operator sections, which
1122 allows you to define postfix operators.  The extension is this:  the left section
1123 <programlisting>
1124   (e !)
1125 </programlisting>
1126 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
1127 <programlisting>
1128   ((!) e)
1129 </programlisting>
1130 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
1131 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
1132 <programlisting>
1133   (\y -> (!) e y)
1134 </programlisting>
1135 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
1136 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
1137 postfix.
1138 </para>
1139 <para>Since this extension goes beyond Haskell 98, it should really be enabled
1140 by a flag; but in fact it is enabled all the time.  (No Haskell 98 programs
1141 change their behaviour, of course.)
1142 </para>
1143 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
1144 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
1145
1146 </sect2>
1147
1148 <sect2 id="disambiguate-fields">
1149 <title>Record field disambiguation</title>
1150 <para>
1151 In record construction and record pattern matching
1152 it is entirely unambiguous which field is referred to, even if there are two different
1153 data types in scope with a common field name.  For example:
1154 <programlisting>
1155 module M where
1156   data S = MkS { x :: Int, y :: Bool }
1157
1158 module Foo where
1159   import M
1160
1161   data T = MkT { x :: Int }
1162   
1163   ok1 (MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1164
1165   ok2 n = MkT { x = n+1 }     -- Unambiguous
1166
1167   bad1 k = k { x = 3 }  -- Ambiguous
1168   bad2 k = x k          -- Ambiguous
1169 </programlisting>
1170 Even though there are two <literal>x</literal>'s in scope,
1171 it is clear that the <literal>x</literal> in the pattern in the
1172 definition of <literal>ok1</literal> can only mean the field
1173 <literal>x</literal> from type <literal>S</literal>. Similarly for
1174 the function <literal>ok2</literal>.  However, in the record update
1175 in <literal>bad1</literal> and the record selection in <literal>bad2</literal>
1176 it is not clear which of the two types is intended.
1177 </para>
1178 <para>
1179 Haskell 98 regards all four as ambiguous, but with the
1180 <option>-fdisambiguate-record-fields</option> flag, GHC will accept
1181 the former two.  The rules are precisely the same as those for instance
1182 declarations in Haskell 98, where the method names on the left-hand side 
1183 of the method bindings in an instance declaration refer unambiguously
1184 to the method of that class (provided they are in scope at all), even
1185 if there are other variables in scope with the same name.
1186 This reduces the clutter of qualified names when you import two
1187 records from different modules that use the same field name.
1188 </para>
1189 </sect2>
1190
1191     <!-- ===================== Record puns ===================  -->
1192
1193 <sect2 id="record-puns">
1194 <title>Record puns
1195 </title>
1196
1197 <para>
1198 Record puns are enabled by the flag <literal>-XNamedFieldPuns</literal>.
1199 </para>
1200
1201 <para>
1202 When using records, it is common to write a pattern that binds a
1203 variable with the same name as a record field, such as:
1204
1205 <programlisting>
1206 data C = C {a :: Int}
1207 f (C {a = a}) = a
1208 </programlisting>
1209 </para>
1210
1211 <para>
1212 Record punning permits the variable name to be elided, so one can simply
1213 write
1214
1215 <programlisting>
1216 f (C {a}) = a
1217 </programlisting>
1218
1219 to mean the same pattern as above.  That is, in a record pattern, the
1220 pattern <literal>a</literal> expands into the pattern <literal>a =
1221 a</literal> for the same name <literal>a</literal>.  
1222 </para>
1223
1224 <para>
1225 Note that puns and other patterns can be mixed in the same record:
1226 <programlisting>
1227 data C = C {a :: Int, b :: Int}
1228 f (C {a, b = 4}) = a
1229 </programlisting>
1230 and that puns can be used wherever record patterns occur (e.g. in
1231 <literal>let</literal> bindings or at the top-level).  
1232 </para>
1233
1234 <para>
1235 Record punning can also be used in an expression, writing, for example,
1236 <programlisting>
1237 let a = 1 in C {a}
1238 </programlisting>
1239 instead of 
1240 <programlisting>
1241 let a = 1 in C {a = a}
1242 </programlisting>
1243
1244 Note that this expansion is purely syntactic, so the record pun
1245 expression refers to the nearest enclosing variable that is spelled the
1246 same as the field name.
1247 </para>
1248
1249 </sect2>
1250
1251     <!-- ===================== Record wildcards ===================  -->
1252
1253 <sect2 id="record-wildcards">
1254 <title>Record wildcards
1255 </title>
1256
1257 <para>
1258 Record wildcards are enabled by the flag <literal>-XRecordWildCards</literal>.
1259 </para>
1260
1261 <para>
1262 For records with many fields, it can be tiresome to write out each field
1263 individually in a record pattern, as in
1264 <programlisting>
1265 data C = C {a :: Int, b :: Int, c :: Int, d :: Int}
1266 f (C {a = 1, b = b, c = c, d = d}) = b + c + d
1267 </programlisting>
1268 </para>
1269
1270 <para>
1271 Record wildcard syntax permits a (<literal>..</literal>) in a record
1272 pattern, where each elided field <literal>f</literal> is replaced by the
1273 pattern <literal>f = f</literal>.  For example, the above pattern can be
1274 written as
1275 <programlisting>
1276 f (C {a = 1, ..}) = b + c + d
1277 </programlisting>
1278 </para>
1279
1280 <para>
1281 Note that wildcards can be mixed with other patterns, including puns
1282 (<xref linkend="record-puns"/>); for example, in a pattern <literal>C {a
1283 = 1, b, ..})</literal>.  Additionally, record wildcards can be used
1284 wherever record patterns occur, including in <literal>let</literal>
1285 bindings and at the top-level.  For example, the top-level binding
1286 <programlisting>
1287 C {a = 1, ..} = e
1288 </programlisting>
1289 defines <literal>b</literal>, <literal>c</literal>, and
1290 <literal>d</literal>.
1291 </para>
1292
1293 <para>
1294 Record wildcards can also be used in expressions, writing, for example,
1295
1296 <programlisting>
1297 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {..}
1298 </programlisting>
1299
1300 in place of
1301
1302 <programlisting>
1303 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {a=a, b=b, c=c, d=d}
1304 </programlisting>
1305
1306 Note that this expansion is purely syntactic, so the record wildcard
1307 expression refers to the nearest enclosing variables that are spelled
1308 the same as the omitted field names.
1309 </para>
1310
1311 </sect2>
1312
1313     <!-- ===================== Local fixity declarations ===================  -->
1314
1315 <sect2 id="local-fixity-declarations">
1316 <title>Local Fixity Declarations
1317 </title>
1318
1319 <para>A careful reading of the Haskell 98 Report reveals that fixity
1320 declarations (<literal>infix</literal>, <literal>infixl</literal>, and
1321 <literal>infixr</literal>) are permitted to appear inside local bindings
1322 such those introduced by <literal>let</literal> and
1323 <literal>where</literal>.  However, the Haskell Report does not specify
1324 the semantics of such bindings very precisely.
1325 </para>
1326
1327 <para>In GHC, a fixity declaration may accompany a local binding:
1328 <programlisting>
1329 let f = ...
1330     infixr 3 `f`
1331 in 
1332     ...
1333 </programlisting>
1334 and the fixity declaration applies wherever the binding is in scope.
1335 For example, in a <literal>let</literal>, it applies in the right-hand
1336 sides of other <literal>let</literal>-bindings and the body of the
1337 <literal>let</literal>C. Or, in recursive <literal>do</literal>
1338 expressions (<xref linkend="mdo-notation"/>), the local fixity
1339 declarations of a <literal>let</literal> statement scope over other
1340 statements in the group, just as the bound name does.
1341 </para>
1342
1343 <para>
1344 Moreover, a local fixity declaration *must* accompany a local binding of
1345 that name: it is not possible to revise the fixity of name bound
1346 elsewhere, as in
1347 <programlisting>
1348 let infixr 9 $ in ...
1349 </programlisting>
1350
1351 Because local fixity declarations are technically Haskell 98, no flag is
1352 necessary to enable them.
1353 </para>
1354 </sect2>
1355
1356 <sect2 id="package-imports">
1357   <title>Package-qualified imports</title>
1358
1359   <para>With the <option>-XPackageImports</option> flag, GHC allows
1360   import declarations to be qualified by the package name that the
1361     module is intended to be imported from.  For example:</para>
1362
1363 <programlisting>
1364 import "network" Network.Socket
1365 </programlisting>
1366   
1367   <para>would import the module <literal>Network.Socket</literal> from
1368     the package <literal>network</literal> (any version).  This may
1369     be used to disambiguate an import when the same module is
1370     available from multiple packages, or is present in both the
1371     current package being built and an external package.</para>
1372
1373   <para>Note: you probably don't need to use this feature, it was
1374     added mainly so that we can build backwards-compatible versions of
1375     packages when APIs change.  It can lead to fragile dependencies in
1376     the common case: modules occasionally move from one package to
1377     another, rendering any package-qualified imports broken.</para>
1378 </sect2>
1379
1380 <sect2 id="syntax-stolen">
1381 <title>Summary of stolen syntax</title>
1382
1383     <para>Turning on an option that enables special syntax
1384     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
1385     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
1386     become a reserved word.  This section lists the syntax that is
1387     "stolen" by language extensions.
1388      We use
1389     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
1390     (see the Haskell 98 Report).  
1391     We only list syntax changes here that might affect
1392     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
1393     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
1394     cases programs written to use the new syntax would not be
1395     compilable without the option enabled.</para>
1396
1397 <para>There are two classes of special
1398     syntax:
1399
1400     <itemizedlist>
1401       <listitem>
1402         <para>New reserved words and symbols: character sequences
1403         which are no longer available for use as identifiers in the
1404         program.</para>
1405       </listitem>
1406       <listitem>
1407         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
1408         a different meaning when this particular option is turned
1409         on.</para>
1410       </listitem>
1411     </itemizedlist>
1412     
1413 The following syntax is stolen:
1414
1415     <variablelist>
1416       <varlistentry>
1417         <term>
1418           <literal>forall</literal>
1419           <indexterm><primary><literal>forall</literal></primary></indexterm>
1420         </term>
1421         <listitem><para>
1422         Stolen (in types) by: <option>-XScopedTypeVariables</option>,
1423             <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
1424             <option>-XRank2Types</option>,
1425             <option>-XRankNTypes</option>,
1426             <option>-XPolymorphicComponents</option>,
1427             <option>-XExistentialQuantification</option>
1428           </para></listitem>
1429       </varlistentry>
1430
1431       <varlistentry>
1432         <term>
1433           <literal>mdo</literal>
1434           <indexterm><primary><literal>mdo</literal></primary></indexterm>
1435         </term>
1436         <listitem><para>
1437         Stolen by: <option>-XRecursiveDo</option>,
1438           </para></listitem>
1439       </varlistentry>
1440
1441       <varlistentry>
1442         <term>
1443           <literal>foreign</literal>
1444           <indexterm><primary><literal>foreign</literal></primary></indexterm>
1445         </term>
1446         <listitem><para>
1447         Stolen by: <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
1448           </para></listitem>
1449       </varlistentry>
1450
1451       <varlistentry>
1452         <term>
1453           <literal>rec</literal>,
1454           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
1455           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
1456           <literal>&gt;&gt;-</literal>, and <literal>(|</literal>,
1457           <literal>|)</literal> brackets
1458           <indexterm><primary><literal>proc</literal></primary></indexterm>
1459         </term>
1460         <listitem><para>
1461         Stolen by: <option>-XArrows</option>,
1462           </para></listitem>
1463       </varlistentry>
1464
1465       <varlistentry>
1466         <term>
1467           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
1468           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>
1469           <indexterm><primary>implicit parameters</primary></indexterm>
1470         </term>
1471         <listitem><para>
1472         Stolen by: <option>-XImplicitParams</option>,
1473           </para></listitem>
1474       </varlistentry>
1475
1476       <varlistentry>
1477         <term>
1478           <literal>[|</literal>,
1479           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
1480           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
1481           <literal>$(</literal>,
1482           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>
1483           <indexterm><primary>Template Haskell</primary></indexterm>
1484         </term>
1485         <listitem><para>
1486         Stolen by: <option>-XTemplateHaskell</option>,
1487           </para></listitem>
1488       </varlistentry>
1489
1490       <varlistentry>
1491         <term>
1492           <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>|</literal>
1493           <indexterm><primary>quasi-quotation</primary></indexterm>
1494         </term>
1495         <listitem><para>
1496         Stolen by: <option>-XQuasiQuotes</option>,
1497           </para></listitem>
1498       </varlistentry>
1499
1500       <varlistentry>
1501         <term>
1502               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
1503               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
1504               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1505               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1506               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1507               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
1508               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
1509         </term>
1510         <listitem><para>
1511         Stolen by: <option>-XMagicHash</option>,
1512           </para></listitem>
1513       </varlistentry>
1514     </variablelist>
1515 </para>
1516 </sect2>
1517 </sect1>
1518
1519
1520 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
1521 <sect1 id="data-type-extensions">
1522 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
1523
1524 <sect2 id="nullary-types">
1525 <title>Data types with no constructors</title>
1526
1527 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
1528 a data type with no constructors.  For example:</para>
1529
1530 <programlisting>
1531   data S      -- S :: *
1532   data T a    -- T :: * -> *
1533 </programlisting>
1534
1535 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
1536 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
1537 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
1538 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
1539
1540 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
1541 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
1542 </sect2>
1543
1544 <sect2 id="infix-tycons">
1545 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
1546
1547 <para>
1548 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
1549 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
1550 <itemizedlist>
1551 <listitem><para>
1552   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
1553   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
1554   </para></listitem>
1555 <listitem><para>
1556   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
1557   if you want further arguments.  E.g.
1558 <screen>
1559   data a :*: b = Foo a b
1560   type a :+: b = Either a b
1561   class a :=: b where ...
1562
1563   data (a :**: b) x = Baz a b x
1564   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
1565 </screen>
1566   </para></listitem>
1567 <listitem><para>
1568   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
1569   <screen>
1570         x :: Int :*: Bool
1571         f :: (a :=: b) => a -> b
1572   </screen>
1573   </para></listitem>
1574 <listitem><para>
1575   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1576   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1577   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1578   parenthesised.  For example:
1579 <programlisting>
1580    type T (+) = Int + Int
1581    f :: T Either
1582    f = Left 3
1583  
1584    liftA2 :: Arrow (~>)
1585           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1586    liftA2 = ...
1587 </programlisting>
1588   </para></listitem>
1589 <listitem><para>
1590   Back-quotes work
1591   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1592   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1593   </para></listitem>
1594 <listitem><para>
1595   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1596   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1597   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1598 <screen>
1599   infixl 7 T, :*:
1600 </screen>
1601   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1602   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1603   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1604   </para></listitem>
1605 <listitem><para>
1606   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1607   </para></listitem>
1608
1609 </itemizedlist>
1610 </para>
1611 </sect2>
1612
1613 <sect2 id="type-synonyms">
1614 <title>Liberalised type synonyms</title>
1615
1616 <para>
1617 Type synonyms are like macros at the type level, but Haskell 98 imposes many rules
1618 on individual synonym declarations.
1619 With the <option>-XLiberalTypeSynonyms</option> extension,
1620 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1621 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98. 
1622
1623 <itemizedlist>
1624 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1625 in a type synonym, thus:
1626 <programlisting>
1627   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1628
1629   f :: Discard a
1630   f x y = (x, show y)
1631
1632   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1633   g f = f 3 True
1634 </programlisting>
1635 </para>
1636 </listitem>
1637
1638 <listitem><para>
1639 If you also use <option>-XUnboxedTuples</option>, 
1640 you can write an unboxed tuple in a type synonym:
1641 <programlisting>
1642   type Pr = (# Int, Int #)
1643
1644   h :: Int -> Pr
1645   h x = (# x, x #)
1646 </programlisting>
1647 </para></listitem>
1648
1649 <listitem><para>
1650 You can apply a type synonym to a forall type:
1651 <programlisting>
1652   type Foo a = a -> a -> Bool
1653  
1654   f :: Foo (forall b. b->b)
1655 </programlisting>
1656 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1657 <programlisting>
1658   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1659 </programlisting>
1660 </para></listitem>
1661
1662 <listitem><para>
1663 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1664 <programlisting>
1665   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1666   type Id x = x
1667   
1668   foo :: Generic Id []
1669 </programlisting>
1670 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1671 <programlisting>
1672   foo :: forall x. x -> [x]
1673 </programlisting>
1674 </para></listitem>
1675
1676 </itemizedlist>
1677 </para>
1678
1679 <para>
1680 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1681 could be changed.)
1682 </para>
1683 <para>
1684 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1685 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1686 <itemizedlist>
1687 <listitem><para>
1688 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1689 </para></listitem>
1690 <listitem><para>
1691 Unboxed tuple on left of an arrow.
1692 </para></listitem>
1693 <listitem><para>
1694 Partially-applied type synonym.
1695 </para></listitem>
1696 </itemizedlist>
1697 So, for example,
1698 this will be rejected:
1699 <programlisting>
1700   type Pr = (# Int, Int #)
1701
1702   h :: Pr -> Int
1703   h x = ...
1704 </programlisting>
1705 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1706 </para>
1707 </sect2>
1708
1709
1710 <sect2 id="existential-quantification">
1711 <title>Existentially quantified data constructors
1712 </title>
1713
1714 <para>
1715 The idea of using existential quantification in data type declarations
1716 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1717 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1718 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1719 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1720 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1721 It's been in Lennart
1722 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1723 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1724 </para>
1725
1726 <para>
1727
1728 <programlisting>
1729   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1730            | Nil
1731 </programlisting>
1732
1733 </para>
1734
1735 <para>
1736 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1737 </para>
1738
1739 <para>
1740
1741 <programlisting>
1742   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1743   Nil   :: Foo
1744 </programlisting>
1745
1746 </para>
1747
1748 <para>
1749 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1750 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1751 For example, the following expression is fine:
1752 </para>
1753
1754 <para>
1755
1756 <programlisting>
1757   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1758 </programlisting>
1759
1760 </para>
1761
1762 <para>
1763 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1764 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1765 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1766 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1767 </para>
1768
1769 <para>
1770 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1771 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1772 </para>
1773
1774 <para>
1775
1776 <programlisting>
1777   f (MkFoo val fn) = ???
1778 </programlisting>
1779
1780 </para>
1781
1782 <para>
1783 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1784 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1785 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1786 </para>
1787
1788 <para>
1789
1790 <programlisting>
1791   f :: Foo -> Bool
1792   f (MkFoo val fn) = fn val
1793 </programlisting>
1794
1795 </para>
1796
1797 <para>
1798 What this allows us to do is to package heterogeneous values
1799 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1800 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1801 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1802 </para>
1803
1804 <sect3 id="existential">
1805 <title>Why existential?
1806 </title>
1807
1808 <para>
1809 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1810 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1811 </para>
1812
1813 <para>
1814
1815 <programlisting>
1816   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1817 </programlisting>
1818
1819 </para>
1820
1821 <para>
1822 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1823 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1824 adding a new existential quantification construct.
1825 </para>
1826
1827 </sect3>
1828
1829 <sect3 id="existential-with-context">
1830 <title>Existentials and type classes</title>
1831
1832 <para>
1833 An easy extension is to allow
1834 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1835 </para>
1836
1837 <para>
1838
1839 <programlisting>
1840 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1841          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1842 </programlisting>
1843
1844 </para>
1845
1846 <para>
1847 The two constructors have the types you'd expect:
1848 </para>
1849
1850 <para>
1851
1852 <programlisting>
1853 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1854 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1855 </programlisting>
1856
1857 </para>
1858
1859 <para>
1860 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1861 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1862 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1863 So this program is legal:
1864 </para>
1865
1866 <para>
1867
1868 <programlisting>
1869   f :: Baz -> String
1870   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1871                | otherwise = "No"
1872   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1873 </programlisting>
1874
1875 </para>
1876
1877 <para>
1878 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1879 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1880 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1881 extract it on pattern matching.
1882 </para>
1883
1884 </sect3>
1885
1886 <sect3 id="existential-records">
1887 <title>Record Constructors</title>
1888
1889 <para>
1890 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1891
1892 <programlisting>
1893 data Counter a = forall self. NewCounter
1894     { _this    :: self
1895     , _inc     :: self -> self
1896     , _display :: self -> IO ()
1897     , tag      :: a
1898     }
1899 </programlisting>
1900 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1901 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1902 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1903 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
1904 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1905 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1906 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1907 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1908 </para>
1909
1910 <para>
1911 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1912
1913 <programlisting>
1914 inc :: Counter a -> Counter a
1915 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1916     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1917
1918 display :: Counter a -> IO ()
1919 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1920 </programlisting>
1921
1922 Now we can define counters with different underlying implementations:
1923
1924 <programlisting>
1925 counterA :: Counter String 
1926 counterA = NewCounter
1927     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1928
1929 counterB :: Counter String 
1930 counterB = NewCounter
1931     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1932
1933 main = do
1934     display (inc counterA)         -- prints "1"
1935     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1936 </programlisting>
1937
1938 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1939 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1940
1941 <programlisting>
1942 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1943 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1944 setTag obj t = obj{ tag = t }
1945 </programlisting>
1946
1947 </para>
1948
1949 </sect3>
1950
1951
1952 <sect3>
1953 <title>Restrictions</title>
1954
1955 <para>
1956 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1957 constructors can be use.
1958 </para>
1959
1960 <para>
1961
1962 <itemizedlist>
1963 <listitem>
1964
1965 <para>
1966  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1967 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1968 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1969 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1970
1971
1972 <programlisting>
1973 f1 (MkFoo a f) = a
1974 </programlisting>
1975
1976
1977 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1978 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1979 ask what type <function>f1</function> has:
1980
1981
1982 <programlisting>
1983   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1984 </programlisting>
1985
1986
1987 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1988 this:
1989
1990
1991 <programlisting>
1992   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1993 </programlisting>
1994
1995
1996 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1997
1998
1999 <programlisting>
2000   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2001 </programlisting>
2002
2003
2004 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2005 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2006 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2007
2008
2009 </para>
2010 </listitem>
2011 <listitem>
2012
2013 <para>
2014 You can't pattern-match on an existentially quantified
2015 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2016 bindings. So this is illegal:
2017
2018
2019 <programlisting>
2020   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2021 </programlisting>
2022
2023 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2024
2025 <programlisting>
2026   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2027 </programlisting>
2028
2029 In general, you can only pattern-match
2030 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2031 in the patterns of a function definition.
2032
2033 The reason for this restriction is really an implementation one.
2034 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2035 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2036 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2037 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2038 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2039 annoying it is.
2040
2041 </para>
2042 </listitem>
2043 <listitem>
2044
2045 <para>
2046 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2047 declarations.  So this is illegal:
2048
2049
2050 <programlisting>
2051   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2052 </programlisting>
2053
2054
2055 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
2056 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
2057 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
2058 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
2059 You can get just the same efficiency and effect by using
2060 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
2061 there is no overloading involved, then there is more of a case for
2062 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
2063 because the <literal>data</literal> version does carry an
2064 implementation cost, but single-field existentially quantified
2065 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
2066 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
2067 are convincing reasons to change it.
2068
2069
2070 </para>
2071 </listitem>
2072 <listitem>
2073
2074 <para>
2075  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2076 data type with existentially quantified data constructors.
2077
2078 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
2079
2080 <programlisting>
2081 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2082 </programlisting>
2083
2084 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2085 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2086
2087 <programlisting>
2088 instance Eq T where
2089   (MkT a) == (MkT b) = ???
2090 </programlisting>
2091
2092 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
2093 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2094 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2095 declarations.  Define your own instances!
2096 </para>
2097 </listitem>
2098
2099 </itemizedlist>
2100
2101 </para>
2102
2103 </sect3>
2104 </sect2>
2105
2106 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
2107
2108 <sect2 id="gadt-style">
2109 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
2110
2111 <para>GHC allows you to declare an algebraic data type by 
2112 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
2113 <programlisting>
2114   data Maybe a where
2115       Nothing :: Maybe a
2116       Just    :: a -> Maybe a
2117 </programlisting>
2118 The form is called a "GADT-style declaration"
2119 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
2120 can only be declared using this form.</para>
2121 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
2122 For example, these two declarations are equivalent:
2123 <programlisting>
2124   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2125   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
2126 </programlisting>
2127 </para>
2128 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
2129 can also be declared using GADT-style syntax.
2130 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
2131 they treat class constraints on the data constructors differently.
2132 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
2133 context is made available by pattern matching.  For example:
2134 <programlisting>
2135   data Set a where
2136     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
2137
2138   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
2139   makeSet xs = MkSet (nub xs)
2140
2141   insert :: a -> Set a -> Set a
2142   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
2143                       | otherwise   = MkSet (a:as)
2144 </programlisting>
2145 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
2146 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
2147 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
2148 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
2149 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
2150 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
2151 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
2152 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
2153 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
2154 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
2155 </para>
2156 <para>
2157 For example, one possible application is to reify dictionaries:
2158 <programlisting>
2159    data NumInst a where
2160      MkNumInst :: Num a => NumInst a
2161
2162    intInst :: NumInst Int
2163    intInst = MkNumInst
2164
2165    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
2166    plus MkNumInst p q = p + q
2167 </programlisting>
2168 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
2169 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
2170 </para>
2171 <para>
2172 All this applies to constructors declared using the syntax of <xref linkend="existential-with-context"/>.
2173 For example, the <literal>NumInst</literal> data type above could equivalently be declared 
2174 like this:
2175 <programlisting>
2176    data NumInst a 
2177       = Num a => MkNumInst (NumInst a)
2178 </programlisting>
2179 Notice that, unlike the situation when declaring an existential, there is 
2180 no <literal>forall</literal>, because the <literal>Num</literal> constrains the
2181 data type's universally quantified type variable <literal>a</literal>.  
2182 A constructor may have both universal and existential type variables: for example,
2183 the following two declarations are equivalent:
2184 <programlisting>
2185    data T1 a 
2186         = forall b. (Num a, Eq b) => MkT1 a b
2187    data T2 a where
2188         MkT2 :: (Num a, Eq b) => a -> b -> T2 a
2189 </programlisting>
2190 </para>
2191 <para>All this behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treatment of 
2192 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
2193 In Haskell 98 the definition
2194 <programlisting>
2195   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
2196 </programlisting>
2197 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
2198 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
2199 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
2200 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
2201 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.
2202 </para>
2203
2204 <para>
2205 The rest of this section gives further details about GADT-style data
2206 type declarations.
2207
2208 <itemizedlist>
2209 <listitem><para>
2210 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
2211 If the result type of all constructors 
2212 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
2213 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
2214 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
2215 </para></listitem>
2216
2217 <listitem><para>
2218 The type signature of
2219 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
2220 Different constructors may have different universally-quantified type variables
2221 and different type-class constraints.  
2222 For example, this is fine:
2223 <programlisting>
2224   data T a where
2225     T1 :: Eq b => b -> T b
2226     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
2227 </programlisting>
2228 </para></listitem>
2229
2230 <listitem><para>
2231 Unlike a Haskell-98-style 
2232 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
2233 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
2234 <programlisting>
2235   data Set :: * -> * where ...
2236 </programlisting>
2237 or even a mixture of the two:
2238 <programlisting>
2239   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
2240 </programlisting>
2241 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
2242 like this:
2243 <programlisting>
2244   data Foo a (b :: * -> *) where ...
2245 </programlisting>
2246 </para></listitem>
2247
2248
2249 <listitem><para>
2250 You can use strictness annotations, in the obvious places
2251 in the constructor type:
2252 <programlisting>
2253   data Term a where
2254       Lit    :: !Int -> Term Int
2255       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
2256       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2257 </programlisting>
2258 </para></listitem>
2259
2260 <listitem><para>
2261 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
2262 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
2263 <programlisting>
2264   data Maybe1 a where {
2265       Nothing1 :: Maybe1 a ;
2266       Just1    :: a -> Maybe1 a
2267     } deriving( Eq, Ord )
2268
2269   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
2270        deriving( Eq, Ord )
2271 </programlisting>
2272 </para></listitem>
2273
2274 <listitem><para>
2275 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
2276
2277 <programlisting>
2278   data Person where
2279       Adult { name :: String, children :: [Person] } :: Person
2280       Child { name :: String } :: Person
2281 </programlisting>
2282 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
2283 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
2284 </para>
2285 <para>
2286 At the moment, record updates are not yet possible with GADT-style declarations, 
2287 so support is limited to record construction, selection and pattern matching.
2288 For example
2289 <programlisting>
2290   aPerson = Adult { name = "Fred", children = [] }
2291
2292   shortName :: Person -> Bool
2293   hasChildren (Adult { children = kids }) = not (null kids)
2294   hasChildren (Child {})                  = False
2295 </programlisting>
2296 </para></listitem>
2297
2298 <listitem><para> 
2299 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
2300 (<xref linkend="existential-records"/>),
2301 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
2302 selectors.  
2303 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
2304 <programlisting>
2305 data Counter a where
2306     NewCounter { _this    :: self
2307                , _inc     :: self -> self
2308                , _display :: self -> IO ()
2309                , tag      :: a
2310                }
2311         :: Counter a
2312 </programlisting>
2313 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
2314 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
2315 </para></listitem>
2316 </itemizedlist></para>
2317 </sect2>
2318
2319 <sect2 id="gadt">
2320 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
2321
2322 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
2323 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
2324 <programlisting>
2325   data Term a where
2326       Lit    :: Int -> Term Int
2327       Succ   :: Term Int -> Term Int
2328       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
2329       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
2330       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2331 </programlisting>
2332 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
2333 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
2334 write a well-typed <literal>eval</literal> function
2335 for these <literal>Terms</literal>:
2336 <programlisting>
2337   eval :: Term a -> a
2338   eval (Lit i)      = i
2339   eval (Succ t)     = 1 + eval t
2340   eval (IsZero t)   = eval t == 0
2341   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
2342   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
2343 </programlisting>
2344 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
2345 For example, in the right hand side of the equation
2346 <programlisting>
2347   eval :: Term a -> a
2348   eval (Lit i) =  ...
2349 </programlisting>
2350 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
2351 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
2352 but the design closely follows that described in
2353 the paper <ulink
2354 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/">Simple
2355 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
2356 (ICFP 2006).
2357 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
2358 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
2359 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
2360 and lots of obscure error messages will
2361 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
2362 <programlisting>
2363   eval :: Term a -> a -> a
2364   eval (Lit i) j =  i+j
2365 </programlisting>
2366 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
2367 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
2368 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
2369 </para>
2370 <para>
2371 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
2372 Tim Sheard. There is a longer introduction
2373 <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
2374 and Ralf Hinze's
2375 <ulink url="http://www.informatik.uni-bonn.de/~ralf/publications/With.pdf">Fun with phantom types</ulink> also has a number of examples. Note that papers
2376 may use different notation to that implemented in GHC.
2377 </para>
2378 <para>
2379 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs.   The extension is enabled with 
2380 <option>-XGADTs</option>.  The <option>-XGADTs</option> flag also sets <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
2381 <itemizedlist>
2382 <listitem><para>
2383 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
2384 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
2385 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
2386 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
2387 For example, in the <literal>Term</literal> data
2388 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
2389 the <literal>ty</literal> need not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
2390 constructor).
2391 </para></listitem>
2392
2393 <listitem><para>
2394 It's is permitted to declare an ordinary algebraic data type using GADT-style syntax.
2395 What makes a GADT into a GADT is not the syntax, but rather the presence of data constructors
2396 whose result type is not just <literal>T a b</literal>.
2397 </para></listitem>
2398
2399 <listitem><para>
2400 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
2401 an ordinary data type.
2402 </para></listitem>
2403
2404 <listitem><para>
2405 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
2406 For example:
2407 <programlisting>
2408   data Term a where
2409       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
2410       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
2411       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
2412       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
2413       Pair   { arg1 :: Term a
2414              , arg2 :: Term b
2415              }                    :: Term (a,b)
2416       If     { cnd  :: Term Bool
2417              , tru  :: Term a
2418              , fls  :: Term a
2419              }                    :: Term a
2420 </programlisting>
2421 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
2422 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
2423 the same result type (modulo alpha conversion)
2424 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
2425 and <literal>arg</literal> fields above into a 
2426 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
2427 their selector functions actually have different types:
2428
2429 <programlisting>
2430   num :: Term Int -> Term Int
2431   arg :: Term Bool -> Term Int
2432 </programlisting>
2433 </para></listitem>
2434
2435 <listitem><para>
2436 When pattern-matching against data constructors drawn from a GADT, 
2437 for example in a <literal>case</literal> expression, the following rules apply:
2438 <itemizedlist>
2439 <listitem><para>The type of the scrutinee must be rigid.</para></listitem>
2440 <listitem><para>The type of the entire <literal>case</literal> expression must be rigid.</para></listitem>
2441 <listitem><para>The type of any free variable mentioned in any of
2442 the <literal>case</literal> alternatives must be rigid.</para></listitem>
2443 </itemizedlist>
2444 A type is "rigid" if it is completely known to the compiler at its binding site.  The easiest
2445 way to ensure that a variable a rigid type is to give it a type signature.
2446 For more precise details see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt">
2447 Simple unification-based type inference for GADTs
2448 </ulink>. The criteria implemented by GHC are given in the Appendix.
2449
2450 </para></listitem>
2451
2452 </itemizedlist>
2453 </para>
2454
2455 </sect2>
2456 </sect1>
2457
2458 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
2459
2460 <sect1 id="deriving">
2461 <title>Extensions to the "deriving" mechanism</title>
2462
2463 <sect2 id="deriving-inferred">
2464 <title>Inferred context for deriving clauses</title>
2465
2466 <para>
2467 The Haskell Report is vague about exactly when a <literal>deriving</literal> clause is
2468 legal.  For example:
2469 <programlisting>
2470   data T0 f a = MkT0 a         deriving( Eq )
2471   data T1 f a = MkT1 (f a)     deriving( Eq )
2472   data T2 f a = MkT2 (f (f a)) deriving( Eq )
2473 </programlisting>
2474 The natural generated <literal>Eq</literal> code would result in these instance declarations:
2475 <programlisting>
2476   instance Eq a         => Eq (T0 f a) where ...
2477   instance Eq (f a)     => Eq (T1 f a) where ...
2478   instance Eq (f (f a)) => Eq (T2 f a) where ...
2479 </programlisting>
2480 The first of these is obviously fine. The second is still fine, although less obviously. 
2481 The third is not Haskell 98, and risks losing termination of instances.
2482 </para>
2483 <para>
2484 GHC takes a conservative position: it accepts the first two, but not the third.  The  rule is this:
2485 each constraint in the inferred instance context must consist only of type variables, 
2486 with no repetitions.
2487 </para>
2488 <para>
2489 This rule is applied regardless of flags.  If you want a more exotic context, you can write
2490 it yourself, using the <link linkend="stand-alone-deriving">standalone deriving mechanism</link>.
2491 </para>
2492 </sect2>
2493
2494 <sect2 id="stand-alone-deriving">
2495 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
2496
2497 <para>
2498 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-XStandaloneDeriving</literal>:
2499 <programlisting>
2500   data Foo a = Bar a | Baz String
2501
2502   deriving instance Eq a => Eq (Foo a)
2503 </programlisting>
2504 The syntax is identical to that of an ordinary instance declaration apart from (a) the keyword
2505 <literal>deriving</literal>, and (b) the absence of the <literal>where</literal> part.
2506 You must supply a context (in the example the context is <literal>(Eq a)</literal>), 
2507 exactly as you would in an ordinary instance declaration.
2508 (In contrast the context is inferred in a <literal>deriving</literal> clause 
2509 attached to a data type declaration.) 
2510
2511 A <literal>deriving instance</literal> declaration
2512 must obey the same rules concerning form and termination as ordinary instance declarations,
2513 controlled by the same flags; see <xref linkend="instance-decls"/>.
2514 </para>
2515 <para>
2516 Unlike a <literal>deriving</literal>
2517 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, the instance can be more specific
2518 than the data type (assuming you also use 
2519 <literal>-XFlexibleInstances</literal>, <xref linkend="instance-rules"/>).  Consider
2520 for example
2521 <programlisting>
2522   data Foo a = Bar a | Baz String
2523
2524   deriving instance Eq a => Eq (Foo [a])
2525   deriving instance Eq a => Eq (Foo (Maybe a))
2526 </programlisting>
2527 This will generate a derived instance for <literal>(Foo [a])</literal> and <literal>(Foo (Maybe a))</literal>,
2528 but other types such as <literal>(Foo (Int,Bool))</literal> will not be an instance of <literal>Eq</literal>.
2529 </para>
2530
2531 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
2532 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
2533 For example:
2534 <programlisting>
2535   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
2536
2537   deriving instance MonadState Int Foo
2538 </programlisting>
2539 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
2540 (<literal>Foo</literal> in this example) as the type whose instance is being derived.
2541 </para>
2542
2543 </sect2>
2544
2545
2546 <sect2 id="deriving-typeable">
2547 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
2548
2549 <para>
2550 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
2551 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
2552 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
2553 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
2554 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
2555 </para>
2556 <para>
2557 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
2558 (provided the <option>-XDeriveDataTypeable</option> flag is specified):
2559 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
2560 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
2561 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
2562 </para>
2563 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
2564 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
2565 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
2566 described in
2567 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
2568 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
2569 </ulink>.
2570 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
2571 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
2572 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
2573 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
2574 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
2575 then writing the data type instance by hand.
2576 </para>
2577 </sect2>
2578
2579 <sect2 id="newtype-deriving">
2580 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2581
2582 <para>
2583 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2584 the new type to inherit some instances from its representation. In
2585 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2586 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2587 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2588 example, if you define
2589
2590 <programlisting>
2591   newtype Dollars = Dollars Int 
2592 </programlisting>
2593
2594 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2595 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2596
2597 <programlisting>
2598   instance Num Dollars where
2599     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2600     ...
2601 </programlisting>
2602 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
2603 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
2604 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
2605 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
2606 dictionary, only slower!
2607 </para>
2608
2609
2610 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
2611 <para>
2612 GHC now permits such instances to be derived instead, 
2613 using the flag <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
2614 so one can write 
2615 <programlisting>
2616   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
2617 </programlisting>
2618
2619 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
2620 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
2621 derives an instance declaration of the form
2622
2623 <programlisting>
2624   instance Num Int => Num Dollars
2625 </programlisting>
2626
2627 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
2628 </para>
2629 <para>
2630
2631 We can also derive instances of constructor classes in a similar
2632 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
2633 transformers, such that
2634
2635 <programlisting>
2636   instance Monad m => Monad (State s m) 
2637   instance Monad m => Monad (Failure m)
2638 </programlisting>
2639 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
2640 <programlisting>
2641   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
2642 </programlisting>
2643
2644 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
2645 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
2646 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
2647
2648 <programlisting>
2649   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2650                          deriving Monad
2651 </programlisting>
2652 In this case the derived instance declaration is of the form 
2653 <programlisting>
2654   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
2655 </programlisting>
2656
2657 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
2658 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
2659 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
2660 "eta-converted" to generate the context of the instance
2661 declaration.
2662 </para>
2663 <para>
2664
2665 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
2666 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
2667 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
2668 clause. For example, given the class
2669
2670 <programlisting>
2671   class StateMonad s m | m -> s where ... 
2672   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
2673 </programlisting>
2674 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
2675 <programlisting>
2676   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2677                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
2678 </programlisting>
2679
2680 The derived instance is obtained by completing the application of the
2681 class to the new type:
2682
2683 <programlisting>
2684   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
2685            StateMonad [tok] (Parser tok m)
2686 </programlisting>
2687 </para>
2688 <para>
2689
2690 As a result of this extension, all derived instances in newtype
2691  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
2692 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
2693 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
2694 the newtype and its representation.
2695 </para>
2696 </sect3>
2697
2698 <sect3> <title> A more precise specification </title>
2699 <para>
2700 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
2701 declaration (after expansion of any type synonyms)
2702
2703 <programlisting>
2704   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
2705 </programlisting>
2706
2707 where 
2708  <itemizedlist>
2709 <listitem><para>
2710   The <literal>ci</literal> are partial applications of
2711   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
2712   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
2713 </para></listitem>
2714 <listitem><para>
2715   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
2716 </para></listitem>
2717 <listitem><para>
2718   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
2719 </para></listitem>
2720 <listitem><para>
2721   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
2722   nor in the <literal>ci</literal>, and
2723 </para></listitem>
2724 <listitem><para>
2725   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
2726                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
2727                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
2728                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
2729                 via this new mechanism.  
2730 </para></listitem>
2731 </itemizedlist>
2732 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
2733 declaration is:
2734 <programlisting>
2735   instance ci t => ci (T v1...vk)
2736 </programlisting>
2737 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
2738 <programlisting>
2739   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
2740 </programlisting>
2741 Here we cannot derive the instance 
2742 <programlisting>
2743   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
2744 </programlisting>
2745
2746 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
2747 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
2748 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
2749 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
2750 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
2751 </para>
2752 <para>
2753
2754 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
2755 important, since we can only derive instances for the last one. If the
2756 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
2757
2758 <programlisting>
2759   class StateMonad m s | m -> s where ... 
2760 </programlisting>
2761
2762 then we would not have been able to derive an instance for the
2763 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
2764 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
2765 instances is most interesting.
2766 </para>
2767 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
2768 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
2769 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
2770 4.3.3. of the Haskell Report).
2771 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2772 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
2773 the standard method is used or the one described here.)
2774 </para>
2775 </sect3>
2776 </sect2>
2777 </sect1>
2778
2779
2780 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
2781 <sect1 id="type-class-extensions">
2782 <title>Class and instances declarations</title>
2783
2784 <sect2 id="multi-param-type-classes">
2785 <title>Class declarations</title>
2786
2787 <para>
2788 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
2789 There's lots of background in the paper <ulink
2790 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space/">Type
2791 classes: exploring the design space</ulink> (Simon Peyton Jones, Mark
2792 Jones, Erik Meijer).
2793 </para>
2794 <para>
2795 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
2796 </para>
2797
2798 <sect3>
2799 <title>Multi-parameter type classes</title>
2800 <para>
2801 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
2802
2803
2804 <programlisting>
2805   class Collection c a where
2806     union :: c a -> c a -> c a
2807     ...etc.
2808 </programlisting>
2809
2810 </para>
2811 </sect3>
2812
2813 <sect3>
2814 <title>The superclasses of a class declaration</title>
2815
2816 <para>
2817 There are no restrictions on the context in a class declaration
2818 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
2819 be acyclic.  So these class declarations are OK:
2820
2821
2822 <programlisting>
2823   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
2824     ...
2825
2826   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
2827     lift :: m a -> (t m) a
2828 </programlisting>
2829
2830
2831 </para>
2832 <para>
2833 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
2834 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
2835 this is OK:
2836
2837
2838 <programlisting>
2839   class C a where {
2840     op :: D b => a -> b -> b
2841   }
2842
2843   class C a => D a where { ... }
2844 </programlisting>
2845
2846
2847 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
2848 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
2849 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
2850 </para>
2851 </sect3>
2852
2853
2854
2855
2856 <sect3 id="class-method-types">
2857 <title>Class method types</title>
2858
2859 <para>
2860 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
2861 class type variable, thus:
2862 <programlisting>
2863   class Seq s a where
2864     fromList :: [a] -> s a
2865     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
2866 </programlisting>
2867 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
2868 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
2869 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
2870 GHC lifts this restriction (flag <option>-XConstrainedClassMethods</option>).
2871 </para>
2872
2873
2874 </sect3>
2875 </sect2>
2876
2877 <sect2 id="functional-dependencies">
2878 <title>Functional dependencies
2879 </title>
2880
2881 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
2882 in &ldquo;<ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/jones00type.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
2883 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
2884 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
2885 .
2886 </para>
2887 <para>
2888 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
2889 class declaration;  e.g. 
2890 <programlisting>
2891   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
2892
2893   class Foo a b c | a b -> c where ...
2894 </programlisting>
2895 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
2896 </para>
2897
2898 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
2899 <para>
2900 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
2901 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
2902 from the free variables of each method type.
2903 For example:
2904
2905 <programlisting>
2906   class Coll s a where
2907     empty  :: s
2908     insert :: s -> a -> s
2909 </programlisting>
2910
2911 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
2912 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
2913 reachable:
2914 <programlisting>
2915   class Coll s a | s -> a where
2916     empty  :: s
2917     insert :: s -> a -> s
2918 </programlisting>
2919
2920 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
2921
2922 <programlisting>
2923   class Coll s a where
2924     empty  :: s a
2925     insert :: s a -> a -> s a
2926 </programlisting>
2927
2928
2929 which makes the connection between the type of a collection of
2930 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
2931 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
2932 class like this:
2933
2934
2935 <programlisting>
2936   class CollE s where
2937     empty  :: s
2938
2939   class CollE s => Coll s a where
2940     insert :: s -> a -> s
2941 </programlisting>
2942 </para>
2943 </sect3>
2944
2945
2946 <sect3>
2947 <title>Background on functional dependencies</title>
2948
2949 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
2950 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
2951 permission of Mark Jones.
2952 </para>
2953 <para> 
2954 Consider the following class, intended as part of a
2955 library for collection types:
2956 <programlisting>
2957    class Collects e ce where
2958        empty  :: ce
2959        insert :: e -> ce -> ce
2960        member :: e -> ce -> Bool
2961 </programlisting>
2962 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
2963 of the container itself. Within this framework, we might want to define
2964 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
2965 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
2966 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
2967 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
2968 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
2969 <programlisting>
2970    instance Eq e => Collects e [e] where ...
2971    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
2972    instance Collects Char BitSet where ...
2973    instance (Hashable e, Collects a ce)
2974               => Collects e (Array Int ce) where ...
2975 </programlisting>
2976 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
2977 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
2978 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
2979 <programlisting>
2980    empty :: Collects e ce => ce
2981 </programlisting>
2982 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
2983 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
2984 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
2985 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
2986 type.
2987 </para>
2988 <para>
2989 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
2990 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
2991 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
2992 them. For example, consider the following two functions: 
2993 <programlisting>
2994    f x y = insert x . insert y
2995    g     = f True 'a'
2996 </programlisting>
2997 for which GHC infers the following types: 
2998 <programlisting>
2999    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3000    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
3001 </programlisting>
3002 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
3003 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
3004 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
3005 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
3006 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
3007 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
3008 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
3009 might even be in a different module.
3010 </para>
3011
3012 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
3013
3014 <para>
3015 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
3016 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
3017 <programlisting>
3018    class Collects e c where
3019       empty  :: c e
3020       insert :: e -> c e -> c e
3021       member :: e -> c e -> Bool
3022 </programlisting>
3023 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
3024 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
3025 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
3026 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
3027 e</literal>, which is not ambiguous. 
3028 </para>
3029 <para>
3030 The function f from the previous section has a more accurate type: 
3031 <programlisting>
3032    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
3033 </programlisting>
3034 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
3035 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
3036 different types. 
3037 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
3038 quite well in practice, without ambiguity problems.
3039 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
3040 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
3041 for <literal>Collects</literal>
3042 given above can be used with this version of Collects because only one of
3043 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
3044 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
3045 </para>
3046 </sect4>
3047
3048 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
3049
3050 <para>
3051 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
3052 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
3053 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
3054 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
3055 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
3056 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
3057 later framework for "improvement" of qualified types. The
3058 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
3059 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
3060 general design space for systems of implicit parameterization.).
3061
3062 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
3063 <programlisting>
3064    class C a b where ...
3065 </programlisting>
3066 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
3067 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
3068 included in the definition of classes to add information about dependencies
3069 between parameters, as in the following examples: 
3070 <programlisting>
3071    class D a b | a -> b where ...
3072    class E a b | a -> b, b -> a where ...
3073 </programlisting>
3074 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
3075 symbols --- not to be
3076 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
3077 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
3078 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
3079 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
3080 represents a (partial) one-one mapping between types.
3081 </para>
3082 <para>
3083 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
3084 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
3085 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
3086 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
3087 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
3088 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
3089 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
3090 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
3091 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
3092 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
3093 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
3094 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
3095 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
3096 <literal>a-&gt;b</literal>, 
3097  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
3098 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
3099 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
3100 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
3101 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
3102 unchanged.
3103 </para>
3104 <para>
3105 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
3106 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
3107 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
3108 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
3109 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
3110 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
3111 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
3112 <programlisting>
3113    instance D Bool Int where ...
3114    instance D Bool Char where ...
3115 </programlisting>
3116 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
3117 <programlisting>
3118    instance D [a] b where ...
3119 </programlisting>
3120 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
3121 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
3122 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
3123 in any instance of the form: 
3124 <programlisting>
3125    instance D t s where ...
3126 </programlisting>
3127 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
3128 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
3129 uniquely determined.
3130 </para>
3131 <para>
3132 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
3133 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
3134 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
3135 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
3136 with a simple dependency: 
3137 <programlisting>
3138    class Collects e ce | ce -> e where
3139       empty  :: ce
3140       insert :: e -> ce -> ce
3141       member :: e -> ce -> Bool
3142 </programlisting>
3143 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
3144 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
3145 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
3146 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
3147 together with this new definition.
3148 </para>
3149 <para>
3150 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
3151 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
3152 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
3153 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
3154 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
3155 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
3156 give enough information to determine types for both ce and e, without
3157 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
3158 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
3159 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
3160 </para>
3161 <para>
3162 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
3163 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
3164 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
3165 function f: 
3166 <programlisting>
3167    f x y = insert x y = insert x . insert y
3168 </programlisting>
3169 for which we originally obtained a type: 
3170 <programlisting>
3171    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3172 </programlisting>
3173 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
3174 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
3175 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
3176 can infer a shorter and more accurate type for f: 
3177 <programlisting>
3178    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
3179 </programlisting>
3180 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
3181 </para>
3182 <para>
3183 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
3184 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
3185 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
3186 sets of instance declarations.
3187 </para>
3188 </sect4>
3189 </sect3>
3190 </sect2>
3191
3192 <sect2 id="instance-decls">
3193 <title>Instance declarations</title>
3194
3195 <sect3 id="instance-rules">
3196 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
3197
3198 <para>An instance declaration has the form
3199 <screen>
3200   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 ...
3201 </screen>
3202 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
3203 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
3204 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
3205 </para>
3206
3207 <para>
3208 In Haskell 98 the head of an instance declaration
3209 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
3210 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
3211 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
3212 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration
3213 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
3214 is a type variable that occurs in the head.
3215 </para>
3216 <para>
3217 The <option>-XFlexibleInstances</option> flag loosens these restrictions
3218 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
3219 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
3220 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
3221 following rules:
3222 <orderedlist>
3223 <listitem><para>
3224 The Paterson Conditions: for each assertion in the context
3225 <orderedlist>
3226 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
3227 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
3228       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
3229 </orderedlist>
3230 </para></listitem>
3231
3232 <listitem><para>The Coverage Condition.  For each functional dependency,
3233 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
3234 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
3235 every type variable in
3236 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
3237 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
3238 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
3239 corresponding type in the instance declaration.
3240 </para></listitem>
3241 </orderedlist>
3242 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
3243 step makes the problem smaller by at least one
3244 constructor.  Both the Paterson Conditions and the Coverage Condition are lifted 
3245 if you give the <option>-XUndecidableInstances</option> 
3246 flag (<xref linkend="undecidable-instances"/>).
3247 You can find lots of background material about the reason for these
3248 restrictions in the paper <ulink
3249 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
3250 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
3251 </para>
3252 <para>
3253 For example, these are OK:
3254 <programlisting>
3255   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
3256   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
3257
3258       -- Repeated type variable in head
3259   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
3260   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
3261
3262       -- Head can consist of type variables only
3263   instance C a
3264   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
3265
3266       -- Non-type variables in context
3267   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
3268   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
3269   instance C2 Int a => C3 [a] b
3270 </programlisting>
3271 But these are not:
3272 <programlisting>
3273       -- Context assertion no smaller than head
3274   instance C a => C a where ...
3275       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
3276   instance C b b => Foo [b] where ...
3277 </programlisting>
3278 </para>
3279
3280 <para>
3281 The same restrictions apply to instances generated by
3282 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
3283 <programlisting>
3284   data MinHeap h a = H a (h a)
3285     deriving (Show)
3286 </programlisting>
3287 because the derived instance
3288 <programlisting>
3289   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
3290 </programlisting>
3291 conforms to the above rules.
3292 </para>
3293
3294 <para>
3295 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
3296 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
3297 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
3298 something more specific does not:
3299 <programlisting>
3300   instance C a where
3301     op = ... -- Default
3302 </programlisting>
3303 </para>
3304 </sect3>
3305
3306 <sect3 id="undecidable-instances">
3307 <title>Undecidable instances</title>
3308
3309 <para>
3310 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
3311 For example, sometimes you might want to use the following to get the
3312 effect of a "class synonym":
3313 <programlisting>
3314   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3315
3316   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3317 </programlisting>
3318 This allows you to write shorter signatures:
3319 <programlisting>
3320   f :: C a => ...
3321 </programlisting>
3322 instead of
3323 <programlisting>
3324   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
3325 </programlisting>
3326 The restrictions on functional dependencies (<xref
3327 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
3328 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
3329 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
3330 <programlisting>
3331   class HasConverter a b | a -> b where
3332      convert :: a -> b
3333    
3334   data Foo a = MkFoo a
3335
3336   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
3337      show (MkFoo value) = show (convert value)
3338 </programlisting>
3339 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
3340 typechecker loop:
3341 <programlisting>
3342   class D a
3343   class F a b | a->b
3344   instance F [a] [[a]]
3345   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
3346 </programlisting>
3347 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
3348 <programlisting>
3349   class Mul a b c | a b -> c where
3350         (.*.) :: a -> b -> c
3351
3352   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
3353   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
3354   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
3355 </programlisting>
3356 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
3357 and indeed the (somewhat strange) definition:
3358 <programlisting>
3359   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
3360 </programlisting>
3361 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
3362 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
3363 </para>
3364 <para>
3365 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
3366 the experimental flag <option>-XUndecidableInstances</option>
3367 <indexterm><primary>-XUndecidableInstances</primary></indexterm>, 
3368 both the Paterson Conditions and the Coverage Condition
3369 (described in <xref linkend="instance-rules"/>) are lifted.  Termination is ensured by having a
3370 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
3371 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
3372 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
3373 </para>
3374
3375 </sect3>
3376
3377
3378 <sect3 id="instance-overlap">
3379 <title>Overlapping instances</title>
3380 <para>
3381 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
3382 declaration
3383 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
3384 can be modified by two flags: <option>-XOverlappingInstances</option>
3385 <indexterm><primary>-XOverlappingInstances
3386 </primary></indexterm> 
3387 and <option>-XIncoherentInstances</option>
3388 <indexterm><primary>-XIncoherentInstances
3389 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
3390 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
3391 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
3392 <para>
3393 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
3394 it tries to match every instance declaration against the
3395 constraint,
3396 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
3397 these declarations:
3398 <programlisting>
3399   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
3400   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
3401   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
3402   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
3403 </programlisting>
3404 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
3405 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
3406 no account of the context of the instance declaration
3407 (<literal>context1</literal> etc).
3408 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
3409 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
3410 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
3411 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
3412 particular constraint matches more than one.
3413 </para>
3414
3415 <para>
3416 The <option>-XOverlappingInstances</option> flag instructs GHC to allow
3417 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
3418 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
3419 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
3420 most-specific match, the program is rejected.
3421 </para>
3422 <para>
3423 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
3424 <programlisting>
3425   f :: [b] -> [b]
3426   f x = ...
3427 </programlisting>
3428 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
3429 <literal>C Int [b]</literal>.  But
3430 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
3431 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
3432 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
3433 So GHC rejects the program.  
3434 (If you add the flag <option>-XIncoherentInstances</option>,
3435 GHC will instead pick (C), without complaining about 
3436 the problem of subsequent instantiations.)
3437 </para>
3438 <para>
3439 Notice that we gave a type signature to <literal>f</literal>, so GHC had to
3440 <emphasis>check</emphasis> that <literal>f</literal> has the specified type.  
3441 Suppose instead we do not give a type signature, asking GHC to <emphasis>infer</emphasis>
3442 it instead.  In this case, GHC will refrain from
3443 simplifying the constraint <literal>C Int [b]</literal> (for the same reason
3444 as before) but, rather than rejecting the program, it will infer the type
3445 <programlisting>
3446   f :: C Int [b] => [b] -> [b]
3447 </programlisting>
3448 That postpones the question of which instance to pick to the 
3449 call site for <literal>f</literal>
3450 by which time more is known about the type <literal>b</literal>.
3451 You can write this type signature yourself if you use the 
3452 <link linkend="flexible-contexts"><option>-XFlexibleContexts</option></link>
3453 flag.
3454 </para>
3455 <para>
3456 Exactly the same situation can arise in instance declarations themselves.  Suppose we have
3457 <programlisting>
3458   class Foo a where
3459      f :: a -> a
3460   instance Foo [b] where
3461      f x = ...
3462 </programlisting>
3463 and, as before, the constraint <literal>C Int [b]</literal> arises from <literal>f</literal>'s
3464 right hand side.  GHC will reject the instance, complaining as before that it does not know how to resolve
3465 the constraint <literal>C Int [b]</literal>, because it matches more than one instance
3466 declaration.  The solution is to postpone the choice by adding the constraint to the context
3467 of the instance declaration, thus:
3468 <programlisting>
3469   instance C Int [b] => Foo [b] where
3470      f x = ...
3471 </programlisting>
3472 (You need <link linkend="instance-rules"><option>-XFlexibleInstances</option></link> to do this.)
3473 </para>
3474 <para>
3475 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
3476 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
3477 presence or otherwise of the <option>-XOverlappingInstances</option> 
3478 and <option>-XIncoherentInstances</option> flags when that module is
3479 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
3480 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
3481 <itemizedlist>
3482 <listitem><para>
3483 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
3484 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
3485 <option>-XOverlappingInstances</option>.  The flag setting for the
3486 more-specific instance does not matter.
3487 </para></listitem>
3488 <listitem><para>
3489 Suppose an instance declaration does not match the constraint being looked up, but
3490 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
3491 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
3492 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
3493 <option>-XIncoherentInstances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
3494 check for that declaration.
3495 </para></listitem>
3496 </itemizedlist>
3497 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
3498 overlapping instances without the library client having to know.  
3499 </para>
3500 <para>
3501 If an instance declaration is compiled without
3502 <option>-XOverlappingInstances</option>,
3503 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
3504 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
3505 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
3506 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
3507 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
3508 are compiled, if the <option>-XOverlappingInstances</option> flag is
3509 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
3510 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
3511 </para>
3512 <para>The <option>-XIncoherentInstances</option> flag implies the
3513 <option>-XOverlappingInstances</option> flag, but not vice versa.
3514 </para>
3515 </sect3>
3516
3517 <sect3>
3518 <title>Type synonyms in the instance head</title>
3519
3520 <para>
3521 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
3522 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
3523 As always, using a type synonym is just shorthand for
3524 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
3525
3526
3527 <programlisting>
3528   type Point = (Int,Int)
3529   instance C Point   where ...
3530   instance C [Point] where ...
3531 </programlisting>
3532
3533
3534 is legal.  However, if you added
3535
3536
3537 <programlisting>
3538   instance C (Int,Int) where ...
3539 </programlisting>
3540
3541
3542 as well, then the compiler will complain about the overlapping
3543 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
3544 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
3545
3546
3547 <programlisting>
3548   type P a = [[a]]
3549   instance Monad P where ...
3550 </programlisting>
3551
3552
3553 This design decision is independent of all the others, and easily
3554 reversed, but it makes sense to me.
3555
3556 </para>
3557 </sect3>
3558
3559
3560 </sect2>
3561
3562 <sect2 id="overloaded-strings">
3563 <title>Overloaded string literals
3564 </title>
3565
3566 <para>
3567 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
3568 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
3569 literals enabled (with <literal>-XOverloadedStrings</literal>)
3570  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
3571 </para>
3572 <para>
3573 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
3574 and other variations of string like types.  String literals behave very much
3575 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
3576 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
3577 way as an integer literal is.
3578 </para>
3579 <para>
3580 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
3581 <programlisting>
3582 class IsString a where
3583     fromString :: String -> a
3584 </programlisting>
3585 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
3586 <programlisting>
3587 instance IsString [Char] where
3588     fromString cs = cs
3589 </programlisting>
3590 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
3591 it explicitly (for example, to give an instance declaration for it), you can import it
3592 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
3593 </para>
3594 <para>
3595 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-XOverloadedStrings</option> is specified.
3596 Specifically:
3597 <itemizedlist>
3598 <listitem><para>
3599 Each type in a default declaration must be an 
3600 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
3601 </para></listitem>
3602
3603 <listitem><para>
3604 The standard defaulting rule (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
3605 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
3606 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
3607 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
3608 </para></listitem>
3609 </itemizedlist>
3610 </para>
3611 <para>
3612 A small example:
3613 <programlisting>
3614 module Main where
3615
3616 import GHC.Exts( IsString(..) )
3617
3618 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
3619 instance IsString MyString where
3620     fromString = MyString
3621
3622 greet :: MyString -> MyString
3623 greet "hello" = "world"
3624 greet other = other
3625
3626 main = do
3627     print $ greet "hello"
3628     print $ greet "fool"
3629 </programlisting>
3630 </para>
3631 <para>
3632 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
3633 to work since it gets translated into an equality comparison.
3634 </para>
3635 </sect2>
3636
3637 </sect1>
3638
3639 <sect1 id="other-type-extensions">
3640 <title>Other type system extensions</title>
3641
3642 <sect2 id="type-restrictions">
3643 <title>Type signatures</title>
3644
3645 <sect3 id="flexible-contexts"><title>The context of a type signature</title>
3646 <para>
3647 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag lifts the Haskell 98 restriction
3648 that the type-class constraints in a type signature must have the 
3649 form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
3650 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>. 
3651 With <option>-XFlexibleContexts</option>
3652 these type signatures are perfectly OK
3653 <programlisting>
3654   g :: Eq [a] => ...
3655   g :: Ord (T a ()) => ...
3656 </programlisting>
3657 </para>
3658 <para>
3659 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
3660 Consider the type:
3661
3662 <programlisting>
3663   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
3664 </programlisting>
3665
3666 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
3667 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
3668 explicit source-language type signature are universally quantified,
3669 except for the class type variables in a class declaration.  However,
3670 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
3671 </para>
3672
3673 <para>
3674
3675 <orderedlist>
3676 <listitem>
3677
3678 <para>
3679  <emphasis>Each universally quantified type variable
3680 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
3681
3682 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it appears
3683 in the same constraint as either a type variable free in
3684 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
3685 A value with a type that does not obey 
3686 this reachability restriction cannot be used without introducing
3687 ambiguity; that is why the type is rejected.
3688 Here, for example, is an illegal type:
3689
3690
3691 <programlisting>
3692   forall a. Eq a => Int
3693 </programlisting>
3694
3695
3696 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
3697 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
3698 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
3699 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
3700 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
3701 get any more information about <literal>tv</literal>.
3702 </para>
3703 <para>
3704 Note
3705 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
3706 functionally dependent on a type variable free in
3707 <literal>type</literal> (see <xref
3708 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
3709 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
3710 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
3711 For example, consider:
3712 <programlisting>
3713   class C a b | a -> b where ...
3714   class C a b => D a b where ...
3715   f :: forall a b. D a b => a -> a
3716 </programlisting>
3717 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
3718 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
3719 </para>
3720 </listitem>
3721 <listitem>
3722
3723 <para>
3724  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
3725 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
3726
3727 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
3728 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
3729
3730
3731 <programlisting>
3732   forall a. C a b => burble
3733 </programlisting>
3734
3735
3736 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
3737 mention <literal>a</literal>:
3738
3739
3740 <programlisting>
3741   forall a. Eq b => burble
3742 </programlisting>
3743
3744
3745 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
3746 excluded types are never useful or necessary (because the offending
3747 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
3748 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
3749 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
3750 territory free in case we need it later.
3751
3752 </para>
3753 </listitem>
3754
3755 </orderedlist>
3756
3757 </para>
3758 </sect3>
3759
3760
3761
3762 </sect2>
3763
3764 <sect2 id="implicit-parameters">
3765 <title>Implicit parameters</title>
3766
3767 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
3768 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
3769 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
3770 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
3771 Boston, Jan 2000.
3772 </para>
3773
3774 <para>(Most of the following, still rather incomplete, documentation is
3775 due to Jeff Lewis.)</para>
3776
3777 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
3778 <option>-XImplicitParams</option>.</para>
3779
3780 <para>
3781 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
3782 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
3783 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
3784 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
3785 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
3786 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
3787 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
3788 only support static scoping of variables.
3789 </para>
3790 <para>
3791 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
3792 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
3793 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
3794 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
3795 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
3796 of type <literal>t'</literal>". For
3797 example, the following expresses the type of a sort function,
3798 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
3799 <programlisting>
3800   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
3801 </programlisting>
3802 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
3803 </para>
3804 <para>
3805 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
3806 where <literal>x</literal> is
3807 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
3808 Use of this construct also introduces a new
3809 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
3810 For example, the following definition
3811 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
3812 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
3813 <programlisting>
3814   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
3815
3816   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
3817   sort    = sortBy ?cmp
3818 </programlisting>
3819 </para>
3820
3821 <sect3>
3822 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
3823 <para>
3824 Dynamic binding constraints behave just like other type class
3825 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
3826 function is used, its implicit parameters are inherited by the
3827 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
3828 to pick out the least value in a list:
3829 <programlisting>
3830   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
3831   least xs = head (sort xs)
3832 </programlisting>
3833 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
3834 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
3835 parameters, the default is that parameters must always be explicit
3836 propagated. With implicit parameters, the default is to always
3837 propagate them.
3838 </para>
3839 <para>
3840 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
3841 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
3842 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
3843 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
3844 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
3845 class constraints.
3846 </para>
3847
3848 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
3849 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
3850 <programlisting>
3851   class (?x::Int) => C a where ...
3852   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
3853 </programlisting>
3854 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
3855 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
3856 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
3857 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
3858 <para>
3859 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
3860 <programlisting>
3861    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
3862    f n = n + length ?x
3863
3864    g :: (Read a, Show a) => String -> String
3865    g s = show (read s)
3866 </programlisting>
3867 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
3868 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
3869 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
3870 </para>
3871 </sect3>
3872
3873 <sect3>
3874 <title>Implicit-parameter bindings</title>
3875
3876 <para>
3877 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
3878 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
3879 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
3880 <literal>cmp</literal>.
3881 <programlisting>
3882   min :: [a] -> a
3883   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
3884 </programlisting>
3885 </para>
3886 <para>
3887 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
3888 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
3889 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
3890 or a <literal>where</literal> clause.
3891 Note the following points:
3892 <itemizedlist>
3893 <listitem><para>
3894 An implicit-parameter binding group must be a
3895 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
3896 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
3897 neither polymorphic or recursive.  
3898 </para></listitem>
3899 <listitem><para>
3900 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
3901 single <literal>let</literal>
3902 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
3903 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
3904 </para></listitem>
3905
3906 <listitem><para>
3907 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
3908 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
3909 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
3910 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
3911 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
3912 the meaning of the program.
3913 For example, consider:
3914 <programlisting>
3915   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
3916 </programlisting>
3917 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
3918 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
3919 <programlisting>
3920   f :: (?x::Int) => Int -> Int
3921 </programlisting>
3922 </para></listitem>
3923 </itemizedlist>
3924 </para>
3925
3926 </sect3>
3927
3928 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
3929
3930 <para>
3931 Consider these two definitions:
3932 <programlisting>
3933   len1 :: [a] -> Int
3934   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
3935
3936   len_acc1 [] = ?acc
3937   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
3938
3939   ------------
3940
3941   len2 :: [a] -> Int
3942   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
3943
3944   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
3945   len_acc2 [] = ?acc
3946   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
3947 </programlisting>
3948 The only difference between the two groups is that in the second group
3949 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
3950 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
3951 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
3952 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
3953 has a type signature, the recursive call is made to the
3954 <emphasis>polymorphic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
3955 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
3956 <programlisting>
3957   Prog> len1 "hello"
3958   0
3959   Prog> len2 "hello"
3960   5
3961 </programlisting>
3962 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
3963 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
3964 </para>
3965 </sect3>
3966
3967 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
3968
3969 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
3970 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
3971 <programlisting>
3972  f :: Int -> Int
3973   f v = let ?x = 0     in
3974         let y = ?x + v in
3975         let ?x = 5     in
3976         y
3977 </programlisting>
3978 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
3979 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
3980 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
3981 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
3982 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
3983 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
3984 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
3985 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
3986 <literal>14</literal>.
3987 </para>
3988 </sect3>
3989 </sect2>
3990
3991     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
3992
3993     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
3994     them from the 6.6 user manual
3995
3996 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
3997 <title>Linear implicit parameters</title>
3998 <para>
3999 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
4000 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
4001 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
4002 </para>
4003 <itemizedlist>
4004 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
4005 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
4006 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
4007 </itemizedlist>
4008
4009 <para>
4010 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
4011 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
4012 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
4013 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
4014 (The '/' in the '%' suggests the split!)
4015 </para>
4016 <para>
4017 For example:
4018 <programlisting>
4019     import GHC.Exts( Splittable )
4020
4021     data NameSupply = ...
4022     
4023     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
4024     newName :: NameSupply -> Name
4025
4026     instance Splittable NameSupply where
4027         split = splitNS
4028
4029
4030     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
4031     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
4032                     where
4033                       x'   = newName %ns
4034                       env' = extend env x x'
4035     ...more equations for f...
4036 </programlisting>
4037 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
4038 <itemizedlist>
4039 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
4040 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
4041 </itemizedlist>
4042 </para>
4043 <para>
4044 So the translation done by the type checker makes
4045 the parameter explicit:
4046 <programlisting>
4047     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
4048     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
4049                        where
4050                          (ns1,ns2) = splitNS ns
4051                          x' = newName ns2
4052                          env = extend env x x'
4053 </programlisting>
4054 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
4055 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
4056 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
4057 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
4058 <programlisting>
4059         class Splittable a where
4060           split :: a -> (a,a)
4061 </programlisting>
4062 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
4063 split for name supplies.  But we can simply write
4064 <programlisting>
4065         g x = (x, %ns, %ns)
4066 </programlisting>
4067 and GHC will infer
4068 <programlisting>
4069         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
4070 </programlisting>
4071 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
4072 <literal>GHC.Exts</literal>.
4073 </para>
4074 <para>
4075 Other points:
4076 <itemizedlist>
4077 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
4078 are entirely distinct implicit parameters: you 
4079   can use them together and they won't interfere with each other. </para>
4080 </listitem>
4081
4082 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
4083
4084 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
4085   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
4086 </itemizedlist>
4087 </para>
4088
4089 <sect3><title>Warnings</title>
4090
4091 <para>
4092 The monomorphism restriction is even more important than usual.
4093 Consider the example above:
4094 <programlisting>
4095     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
4096     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
4097                     where
4098                       x'   = newName %ns
4099                       env' = extend env x x'
4100 </programlisting>
4101 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
4102 usually a harmless thing to do, we get:
4103 <programlisting>
4104     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
4105     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
4106                     where
4107                       env' = extend env x (newName %ns)
4108 </programlisting>
4109 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
4110 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
4111 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
4112 the beta rule.
4113 </para>
4114 <para>
4115 Well, this is an experimental change.  With implicit
4116 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
4117 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
4118 Haskell programs without knowing their typing.
4119 </para>
4120
4121 </sect3>
4122
4123 <sect3><title>Recursive functions</title>
4124 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
4125 Consider
4126 <programlisting>
4127         foo :: %x::T => Int -> [Int]
4128         foo 0 = []
4129         foo n = %x : foo (n-1)
4130 </programlisting>
4131 where T is some type in class Splittable.</para>
4132 <para>
4133 Do you get a list of all the same T's or all different T's
4134 (assuming that split gives two distinct T's back)?
4135 </para><para>
4136 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
4137 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
4138 translated term, where the implicit param is made explicit:
4139 <programlisting>
4140         foo x 0 = []
4141         foo x n = let (x1,x2) = split x
4142                   in x1 : foo x2 (n-1)
4143 </programlisting>
4144 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
4145 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
4146 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
4147 work.  So the translation becomes
4148 <programlisting>
4149         foo x = let
4150                   foom 0 = []
4151                   foom n = x : foom (n-1)
4152                 in
4153                 foom
4154 </programlisting>
4155 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
4156 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
4157 Yikes!
4158 </para><para>
4159 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
4160 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
4161 </para>
4162 </sect3>
4163
4164 </sect2>
4165
4166 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
4167
4168 <sect2 id="kinding">
4169 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
4170
4171 <para>
4172 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
4173 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
4174 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
4175 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
4176 John Hughes had to define the data type:
4177 <screen>
4178      data Set cxt a = Set [a]
4179                     | Unused (cxt a -> ())
4180 </screen>
4181 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
4182 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
4183 </para>
4184 <para>
4185 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
4186 a type variable is explicitly bound, with the flag <option>-XKindSignatures</option>.
4187 </para>
4188 <para>
4189 This flag enables kind signatures in the following places:
4190 <itemizedlist>
4191 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
4192 <screen>
4193   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
4194 </screen></para></listitem>
4195 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
4196 <screen>
4197   type T (f :: * -> *) = f Int
4198 </screen></para></listitem>
4199 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
4200 <screen>
4201   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
4202 </screen></para></listitem>
4203 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
4204 <screen>
4205   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
4206 </screen></para></listitem>
4207 </itemizedlist>
4208 </para>
4209
4210 <para>
4211 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
4212 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
4213 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
4214 single lexeme in Haskell.
4215 </para>
4216
4217 <para>
4218 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
4219 as well.  Thus:
4220 <screen>
4221    f :: (Int :: *) -> Int
4222    g :: forall a. a -> (a :: *)
4223 </screen>
4224 The syntax is
4225 <screen>
4226    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
4227 </screen>
4228 The parentheses are required.
4229 </para>
4230 </sect2>
4231
4232
4233 <sect2 id="universal-quantification">
4234 <title>Arbitrary-rank polymorphism
4235 </title>
4236
4237 <para>
4238 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
4239 allows us to say exactly what this means.  For example:
4240 </para>
4241 <para>
4242 <programlisting>
4243         g :: b -> b
4244 </programlisting>
4245 means this:
4246 <programlisting>
4247         g :: forall b. (b -> b)
4248 </programlisting>
4249 The two are treated identically.
4250 </para>
4251
4252 <para>
4253 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
4254 explicit universal quantification in
4255 types. 
4256 For example, all the following types are legal:
4257 <programlisting>
4258     f1 :: forall a b. a -> b -> a
4259     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
4260
4261     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
4262     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
4263
4264     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
4265
4266     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
4267 </programlisting>
4268 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
4269 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
4270 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
4271 is implicitly added by Haskell.
4272 </para>
4273 <para>
4274 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
4275 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
4276 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
4277 </para>
4278 <para>
4279 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
4280 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
4281 </para>
4282 <para>
4283 GHC has three flags to control higher-rank types:
4284 <itemizedlist>
4285 <listitem><para>
4286  <option>-XPolymorphicComponents</option>: data constructors (only) can have polymorphic argument types.
4287 </para></listitem>
4288 <listitem><para>
4289  <option>-XRank2Types</option>: any function (including data constructors) can have a rank-2 type.
4290 </para></listitem>
4291 <listitem><para>
4292  <option>-XRankNTypes</option>: any function (including data constructors) can have an arbitrary-rank type.
4293 That is,  you can nest <literal>forall</literal>s
4294 arbitrarily deep in function arrows.
4295 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
4296 including an operational type class context, is legal:
4297 <itemizedlist>
4298 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
4299 of a function arrow </para> </listitem>
4300 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
4301 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
4302 field type signatures.</para> </listitem>
4303 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
4304 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
4305 </itemizedlist>
4306 </para></listitem>
4307 </itemizedlist>
4308 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
4309 a type variable any more!
4310 </para>
4311
4312
4313 <sect3 id="univ">
4314 <title>Examples
4315 </title>
4316
4317 <para>
4318 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
4319 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
4320 </para>
4321
4322 <para>
4323
4324 <programlisting>
4325 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
4326
4327 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
4328                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
4329                         }
4330
4331 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
4332 </programlisting>
4333
4334 </para>
4335
4336 <para>
4337 The constructors have rank-2 types:
4338 </para>
4339
4340 <para>
4341
4342 <programlisting>
4343 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
4344 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
4345                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
4346                   -> MonadT m
4347 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
4348 </programlisting>
4349
4350 </para>
4351
4352 <para>
4353 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
4354 explicit context.  For example in the first argument of the
4355 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
4356 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
4357 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
4358 mentioned in the type quantified over.
4359 </para>
4360
4361 <para>
4362 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
4363 types too.  So if you write this:
4364
4365 <programlisting>
4366   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
4367 </programlisting>
4368
4369 it's just as if you had written this:
4370
4371 <programlisting>
4372   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
4373 </programlisting>
4374
4375 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
4376 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
4377 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
4378 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
4379 </para>
4380
4381 <para>
4382 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
4383 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
4384 </para>
4385
4386 <para>
4387
4388 <programlisting>
4389     a1 :: T Int
4390     a1 = T1 (\xy->x) 3
4391     
4392     a2, a3 :: Swizzle
4393     a2 = MkSwizzle sort
4394     a3 = MkSwizzle reverse
4395     
4396     a4 :: MonadT Maybe
4397     a4 = let r x = Just x
4398              b m k = case m of
4399                        Just y -> k y
4400                        Nothing -> Nothing
4401          in
4402          MkMonad r b
4403
4404     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
4405     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
4406 </programlisting>
4407
4408 </para>
4409
4410 <para>
4411 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
4412 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
4413 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
4414 </para>
4415
4416 <para>
4417 When you use pattern matching, the bound variables may now have
4418 polymorphic types.  For example:
4419 </para>
4420
4421 <para>
4422
4423 <programlisting>
4424     f :: T a -> a -> (a, Char)
4425     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
4426
4427     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
4428     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
4429
4430     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
4431     h m [] = return m []
4432     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
4433                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
4434                  return m (y:ys)
4435 </programlisting>
4436
4437 </para>
4438
4439 <para>
4440 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
4441 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
4442 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
4443 matching.
4444 </para>
4445 </sect3>
4446
4447 <sect3>
4448 <title>Type inference</title>
4449
4450 <para>
4451 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
4452 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
4453 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
4454 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
4455 </para>
4456 <para>
4457 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
4458 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
4459 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
4460 </para>
4461 <para>
4462 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
4463 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
4464 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
4465 <programlisting>
4466      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
4467 </programlisting>
4468 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
4469 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
4470 <programlisting>
4471      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
4472 </programlisting>
4473 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
4474 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
4475 one can give a type signature for the function itself:
4476 <programlisting>
4477      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
4478      h f = (f True, f 'c')
4479 </programlisting>
4480 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
4481 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
4482 <programlisting>
4483     f :: T a -> a -> (a, Char)
4484     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
4485 </programlisting>
4486 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
4487 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
4488 it needs to know.
4489 </para>
4490
4491 </sect3>
4492
4493
4494 <sect3 id="implicit-quant">
4495 <title>Implicit quantification</title>
4496
4497 <para>
4498 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
4499 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
4500 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
4501 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
4502 equivalent:
4503 <programlisting>
4504   f :: a -> a
4505   f :: forall a. a -> a
4506
4507   g (x::a) = let
4508                 h :: a -> b -> b
4509                 h x y = y
4510              in ...
4511   g (x::a) = let
4512                 h :: forall b. a -> b -> b
4513                 h x y = y
4514              in ...
4515 </programlisting>
4516 </para>
4517 <para>
4518 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
4519 point.  For example:
4520 <programlisting>
4521   f :: (a -> a) -> Int
4522            -- MEANS
4523   f :: forall a. (a -> a) -> Int
4524            -- NOT
4525   f :: (forall a. a -> a) -> Int
4526
4527
4528   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
4529            -- MEANS the illegal type
4530   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
4531            -- NOT
4532   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
4533 </programlisting>
4534 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
4535 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
4536 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
4537 for rank-2 types.
4538 </para>
4539 </sect3>
4540 </sect2>
4541
4542
4543 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
4544 <title>Impredicative polymorphism
4545 </title>
4546 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>, 
4547 enabled with <option>-XImpredicativeTypes</option>.  
4548 This means
4549 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
4550 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
4551 <programlisting>
4552   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
4553   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
4554   f Nothing  = Nothing
4555 </programlisting>
4556 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
4557 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
4558 [a])</literal>.
4559 </para>
4560 <para>The technical details of this extension are described in the paper
4561 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy/">Boxy types:
4562 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
4563 which appeared at ICFP 2006.  
4564 </para>
4565 </sect2>
4566
4567 <sect2 id="scoped-type-variables">
4568 <title>Lexically scoped type variables
4569 </title>
4570
4571 <para>
4572 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
4573 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
4574 <programlisting>
4575 f :: forall a. [a] -> [a]
4576 f xs = ys ++ ys
4577      where
4578        ys :: [a]
4579        ys = reverse xs
4580 </programlisting>
4581 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
4582 the entire definition of <literal>f</literal>.
4583 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>ys</varname>. 
4584 In Haskell 98 it is not possible to declare
4585 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
4586 it becomes possible to do so.
4587 </para>
4588 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
4589 <option>-XScopedTypeVariables</option>.  This flag implies <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
4590 </para>
4591 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
4592 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
4593 carefully!</para>
4594
4595 <sect3>
4596 <title>Overview</title>
4597
4598 <para>The design follows the following principles
4599 <itemizedlist>
4600 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
4601 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
4602 design.)</para></listitem>
4603 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
4604 type variables.  This means that every programmer-written type signature
4605 (including one that contains free scoped type variables) denotes a
4606 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
4607 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
4608 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
4609 changing the program.</para></listitem>
4610 </itemizedlist>
4611 </para>
4612 <para>
4613 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
4614 <itemizedlist>
4615 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
4616 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
4617 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
4618 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
4619 </itemizedlist>
4620 </para>
4621 <para>
4622 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantified over
4623 its free type variables (<ulink
4624 url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
4625 4.1.2</ulink> 
4626 of the Haskell Report).
4627 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
4628 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
4629 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
4630 then
4631 <programlisting>
4632   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
4633   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
4634   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
4635 </programlisting>
4636 </para>
4637
4638
4639 </sect3>
4640
4641
4642 <sect3 id="decl-type-sigs">
4643 <title>Declaration type signatures</title>
4644 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
4645 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
4646 explicitly-quantified
4647 type variables, in the definition of the named function.  For example:
4648 <programlisting>
4649   f :: forall a. [a] -> [a]
4650   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
4651 </programlisting>
4652 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
4653 the definition of "<literal>f</literal>".
4654 </para>
4655 <para>This only happens if:
4656 <itemizedlist>
4657 <listitem><para> The quantification in <literal>f</literal>'s type
4658 signature is explicit.  For example:
4659 <programlisting>
4660   g :: [a] -> [a]
4661   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
4662 </programlisting>
4663 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
4664 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
4665 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
4666 quantification rules.
4667 </para></listitem>
4668 <listitem><para> The signature gives a type for a function binding or a bare variable binding, 
4669 not a pattern binding.
4670 For example:
4671 <programlisting>
4672   f1 :: forall a. [a] -> [a]
4673   f1 (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]   -- OK
4674
4675   f2 :: forall a. [a] -> [a]
4676   f2 = \(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ]   -- OK
4677
4678   f3 :: forall a. [a] -> [a] 
4679   Just f3 = Just (\(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ])   -- Not OK!
4680 </programlisting>
4681 The binding for <literal>f3</literal> is a pattern binding, and so its type signature
4682 does not bring <literal>a</literal> into scope.   However <literal>f1</literal> is a
4683 function binding, and <literal>f2</literal> binds a bare variable; in both cases
4684 the type signature brings <literal>a</literal> into scope.
4685 </para></listitem>
4686 </itemizedlist>
4687 </para>
4688 </sect3>
4689
4690 <sect3 id="exp-type-sigs">
4691 <title>Expression type signatures</title>
4692
4693 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
4694 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
4695 explicitly-quantified
4696 type variables, in the annotated expression.  For example:
4697 <programlisting>
4698   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
4699 </programlisting>
4700 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
4701 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
4702 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
4703 </para>
4704
4705 </sect3>
4706
4707 <sect3 id="pattern-type-sigs">
4708 <title>Pattern type signatures</title>
4709 <para>
4710 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
4711 signature</emphasis>. 
4712 For example:
4713 <programlisting>
4714   -- f and g assume that 'a' is already in scope
4715   f = \(x::Int, y::a) -> x
4716   g (x::a) = x
4717   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
4718 </programlisting>
4719 In the case where all the type variables in the pattern type signature are
4720 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
4721 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
4722 </para>
4723 <para>
4724 Unlike expression and declaration type signatures, pattern type signatures are not implicitly generalised.
4725 The pattern in a <emphasis>pattern binding</emphasis> may only mention type variables
4726 that are already in scope.  For example:
4727 <programlisting>
4728   f :: forall a. [a] -> (Int, [a])
4729   f xs = (n, zs)
4730     where
4731       (ys::[a], n) = (reverse xs, length xs) -- OK
4732       zs::[a] = xs ++ ys                     -- OK
4733
4734       Just (v::b) = ...  -- Not OK; b is not in scope
4735 </programlisting>
4736 Here, the pattern signatures for <literal>ys</literal> and <literal>zs</literal>
4737 are fine, but the one for <literal>v</literal> is not because <literal>b</literal> is
4738 not in scope. 
4739 </para>
4740 <para>
4741 However, in all patterns <emphasis>other</emphasis> than pattern bindings, a pattern
4742 type signature may mention a type variable that is not in scope; in this case,
4743 <emphasis>the signature brings that type variable into scope</emphasis>.
4744 This is particularly important for existential data constructors.  For example:
4745 <programlisting>
4746   data T = forall a. MkT [a]
4747
4748   k :: T -> T
4749   k (MkT [t::a]) = MkT t3
4750                  where
4751                    t3::[a] = [t,t,t]
4752 </programlisting>
4753 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
4754 variable that is not already in scope.  Indeed, it <emphasis>cannot</emphasis> already be in scope,
4755 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
4756 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
4757 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
4758 existentially-bound type variable.
4759 </para>
4760 <para>
4761 When a pattern type signature binds a type variable in this way, GHC insists that the 
4762 type variable is bound to a <emphasis>rigid</emphasis>, or fully-known, type variable.
4763 This means that any user-written type signature always stands for a completely known type.
4764 </para>
4765 <para>
4766 If all this seems a little odd, we think so too.  But we must have
4767 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
4768 could not name existentially-bound type variables in subsequent type signatures.
4769 </para>
4770 <para>
4771 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
4772 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
4773 scope.
4774 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
4775 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
4776 </para>
4777
4778
4779 </sect3>
4780
4781 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
4782
4783 <sect3 id="result-type-sigs">
4784 <title>Result type signatures</title>
4785
4786 <para>
4787 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
4788
4789 <programlisting>
4790   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
4791   f x y :: [a] = [x,y,x]
4792
4793   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
4794
4795   h :: forall a. [a] -> a
4796   h xs = case xs of
4797             (y:ys) :: a -> y
4798 </programlisting>
4799 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
4800 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
4801 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
4802 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
4803 </para>
4804 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
4805 <para>
4806 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
4807 examples would parse quite differently with parentheses:
4808 <programlisting>
4809   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
4810   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
4811
4812   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
4813
4814   h :: forall a. [a] -> a
4815   h xs = case xs of
4816             ((y:ys) :: a) -> y
4817 </programlisting>
4818 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
4819 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
4820 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
4821
4822 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
4823 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
4824 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
4825 consider how one would parse this:
4826 <programlisting>
4827   \ x :: a -> b -> x
4828 </programlisting>
4829 </para>
4830 </sect3>
4831
4832  -->
4833
4834 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
4835 <title>Class and instance declarations</title>
4836 <para>
4837
4838 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
4839 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
4840
4841
4842 <programlisting>
4843   class C a where
4844     op :: [a] -> a
4845
4846     op xs = let ys::[a]
4847                 ys = reverse xs
4848             in
4849             head ys
4850 </programlisting>
4851 </para>
4852 </sect3>
4853
4854 </sect2>
4855
4856
4857 <sect2 id="typing-binds">
4858 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
4859
4860 <para>
4861 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
4862 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
4863 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
4864 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
4865 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
4866 As each group is type-checked, any binders of the group that
4867 have
4868 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
4869 polymorphic type,
4870 and all others are monomorphic until the group is generalised 
4871 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
4872 </para>
4873
4874 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
4875 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/424440.html">Typing Haskell in
4876 Haskell</ulink>,
4877 GHC implements a more general scheme.  If <option>-XRelaxedPolyRec</option> is
4878 specified:
4879 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
4880 type signature</emphasis>.
4881 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
4882 typecheck.  For example, consider:
4883 <programlisting>
4884   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
4885   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
4886   
4887   g y = (y &lt;= y) || f True
4888 </programlisting>
4889 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
4890 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
4891 <literal>f</literal>,
4892 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
4893 hand side is ignored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
4894 type is generalised, to get
4895 <programlisting>
4896   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
4897 </programlisting>
4898 Now, the definition for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
4899 <literal>g</literal> in the type environment.
4900 </para>
4901
4902 <para>
4903 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
4904 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
4905 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
4906 <option>-XRelaxedPolyRec</option>
4907 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
4908 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
4909 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
4910 <programlisting>
4911   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
4912   f x = (x == x) || g True
4913   
4914   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
4915   g y = (y &lt;= y) || f True
4916 </programlisting>
4917 </para>
4918 </sect2>
4919
4920 <sect2 id="type-families">
4921 <title>Type families
4922 </title>
4923
4924 <para>
4925 GHC supports the definition of type families indexed by types.  They may be
4926 seen as an extension of Haskell 98's class-based overloading of values to
4927 types.  When type families are declared in classes, they are also known as
4928 associated types.
4929 </para>
4930 <para>
4931 There are two forms of type families: data families and type synonym families.
4932 Currently, only the former are fully implemented, while we are still working
4933 on the latter.  As a result, the specification of the language extension is
4934 also still to some degree in flux.  Hence, a more detailed description of
4935 the language extension and its use is currently available
4936 from <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GHC/Indexed_types">the Haskell
4937 wiki page on type families</ulink>.  The material will be moved to this user's
4938 guide when it has stabilised.
4939 </para>
4940 <para>
4941 Type families are enabled by the flag <option>-XTypeFamilies</option>.
4942 </para>
4943
4944
4945 </sect2>
4946
4947 </sect1>
4948 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
4949   
4950 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
4951
4952 <sect1 id="template-haskell">
4953 <title>Template Haskell</title>
4954
4955 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
4956 Haskell.  
4957 The background to
4958 the main technical innovations is discussed in "<ulink
4959 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/">
4960 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
4961 </para>
4962 <para>
4963 There is a Wiki page about
4964 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
4965 http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell</ulink>, and that is the best place to look for
4966 further details.
4967 You may also 
4968 consult the <ulink
4969 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
4970 Haskell library reference material</ulink> 
4971 (look for module <literal>Language.Haskell.TH</literal>).
4972 Many changes to the original design are described in 
4973       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/notes2.ps">
4974 Notes on Template Haskell version 2</ulink>.
4975 Not all of these changes are in GHC, however.
4976 </para>
4977
4978 <para> The first example from that paper is set out below (<xref linkend="th-example"/>) 
4979 as a worked example to help get you started. 
4980 </para>
4981
4982 <para>
4983 The documentation here describes the realisation of Template Haskell in GHC.  It is not detailed enough to 
4984 understand Template Haskell; see the <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
4985 Wiki page</ulink>.
4986 </para>
4987
4988     <sect2>
4989       <title>Syntax</title>
4990
4991       <para> Template Haskell has the following new syntactic
4992       constructions.  You need to use the flag
4993       <option>-XTemplateHaskell</option>
4994         <indexterm><primary><option>-XTemplateHaskell</option></primary>
4995       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
4996       (<option>-XTemplateHaskell</option> is no longer implied by
4997       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
4998
4999         <itemizedlist>
5000               <listitem><para>
5001                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
5002                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
5003                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
5004                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
5005                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
5006                   </para>
5007               <para> A splice can occur in place of 
5008                   <itemizedlist>
5009                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
5010                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
5011                     <listitem><para> a list of top-level declarations; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
5012                     </itemizedlist>
5013                 </para>
5014             Inside a splice you can can only call functions defined in imported modules,
5015         not functions defined elsewhere in the same module.</listitem>
5016
5017
5018               <listitem><para>
5019                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
5020                   <itemizedlist>
5021                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
5022                              the quotation has type <literal>Q Exp</literal>.</para></listitem>
5023                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
5024                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
5025                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;
5026                              the quotation has type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
5027                   </itemizedlist></para></listitem>
5028
5029               <listitem><para>
5030                   A quasi-quotation can appear in either a pattern context or an
5031                   expression context and is also written in Oxford brackets:
5032                   <itemizedlist>
5033                     <listitem><para> <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>| ... |]</literal>,
5034                         where the "..." is an arbitrary string; a full description of the
5035                         quasi-quotation facility is given in <xref linkend="th-quasiquotation"/>.</para></listitem>
5036                   </itemizedlist></para></listitem>
5037
5038               <listitem><para>
5039                   A name can be quoted with either one or two prefix single quotes:
5040                   <itemizedlist>
5041                     <listitem><para> <literal>'f</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the function <literal>f</literal>.
5042                   Similarly <literal>'C</literal> has type <literal>Name</literal> and names the data constructor <literal>C</literal>.
5043                   In general <literal>'</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in an expression context.
5044                      </para></listitem> 
5045                     <listitem><para> <literal>''T</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the type constructor  <literal>T</literal>.
5046                   That is, <literal>''</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in a type context.
5047                      </para></listitem> 
5048                   </itemizedlist>
5049                   These <literal>Names</literal> can be used to construct Template Haskell expressions, patterns, declarations etc.  They
5050                   may also be given as an argument to the <literal>reify</literal> function.
5051                  </para>
5052                 </listitem>
5053
5054                   
5055         </itemizedlist>
5056 (Compared to the original paper, there are many differences of detail.
5057 The syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>".
5058 The type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>.
5059 Type splices are not implemented, and neither are pattern splices or quotations.
5060
5061 </sect2>
5062
5063 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
5064 <para>
5065 <itemizedlist>
5066     <listitem><para>
5067     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
5068     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
5069     </para></listitem>
5070
5071     <listitem><para>
5072     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
5073             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
5074             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
5075    </para></listitem>
5076
5077    <listitem><para>
5078    You can only run a function at compile time if it is imported
5079    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
5080    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  Furthermore, all of the modules of 
5081    the mutually-recursive group must be reachable by non-SOURCE imports from the module where the
5082    splice is to be run.</para>
5083    <para>
5084    For example, when compiling module A,
5085    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
5086    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
5087    </para></listitem>
5088
5089     <listitem><para>
5090             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
5091    </para></listitem>
5092     <listitem><para>
5093             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
5094               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
5095               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
5096               the program it compiles produces results whose representations are identical to
5097               those of the compiler itself.
5098    </para></listitem>
5099 </itemizedlist>
5100 </para>
5101 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
5102         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
5103         has been lifted.
5104 </para>
5105 </sect2>
5106  
5107 <sect2 id="th-example">  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
5108 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
5109   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
5110
5111 <programlisting>
5112
5113 {- Main.hs -}
5114 module Main where
5115
5116 -- Import our template "pr"
5117 import Printf ( pr )
5118
5119 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
5120 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
5121 -- the argument of "putStrLn".
5122 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
5123
5124
5125 {- Printf.hs -}
5126 module Printf where
5127
5128 -- Skeletal printf from the paper.
5129 -- It needs to be in a separate module to the one where
5130 -- you intend to use it.
5131
5132 -- Import some Template Haskell syntax
5133 import Language.Haskell.TH
5134
5135 -- Describe a format string
5136 data Format = D | S | L String
5137
5138 -- Parse a format string.  This is left largely to you
5139 -- as we are here interested in building our first ever
5140 -- Template Haskell program and not in building printf.
5141 parse :: String -> [Format]
5142 parse s   = [ L s ]
5143
5144 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
5145 -- of the format string.  This code will be spliced into
5146 -- the module which calls "pr", at compile time.
5147 gen :: [Format] -> Q Exp
5148 gen [D]   = [| \n -> show n |]
5149 gen [S]   = [| \s -> s |]
5150 gen [L s] = stringE s
5151
5152 -- Here we generate the Haskell code for the splice
5153 -- from an input format string.
5154 pr :: String -> Q Exp
5155 pr s = gen (parse s)
5156 </programlisting>
5157
5158 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
5159 </para>
5160 <programlisting>
5161 $ ghc --make -XTemplateHaskell main.hs -o main.exe
5162 </programlisting>
5163
5164 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
5165
5166 <programlisting>
5167 $ ./main
5168 Hello
5169 </programlisting>
5170
5171 </sect2>
5172
5173 <sect2>
5174 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
5175 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
5176  
5177 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
5178 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
5179 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
5180 itself is running; this means that the compiled code referred to by
5181 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
5182 in particular this means that object code that is compiled for
5183 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
5184 expression, because profiled object code is only compatible with the
5185 profiling version of the runtime.</para>
5186
5187 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
5188 containing Template Haskell code and you need to compile it for
5189 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
5190 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
5191 The basic idea is to compile the program twice:</para>
5192
5193 <orderedlist>
5194 <listitem>
5195   <para>Compile the program or library first the normal way, without
5196   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
5197 </listitem>
5198 <listitem>
5199   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
5200   additionally use <option>-osuf
5201   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
5202   to name the object files differently (you can choose any suffix
5203   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
5204   load the object files built in the first step when executing splice
5205   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
5206   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
5207   GHC will emit an error message. </para>
5208 </listitem>
5209 </orderedlist>
5210 </sect2>
5211
5212 <sect2 id="th-quasiquotation">  <title> Template Haskell Quasi-quotation </title>
5213 <para>Quasi-quotation allows patterns and expressions to be written using
5214 programmer-defined concrete syntax; the motivation behind the extension and
5215 several examples are documented in
5216 "<ulink url="http://www.eecs.harvard.edu/~mainland/ghc-quasiquoting/">Why It's
5217 Nice to be Quoted: Quasiquoting for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop
5218 2007). The example below shows how to write a quasiquoter for a simple
5219 expression language.</para>
5220
5221 <para>
5222 In the example, the quasiquoter <literal>expr</literal> is bound to a value of
5223 type <literal>Language.Haskell.TH.Quote.QuasiQuoter</literal> which contains two
5224 functions for quoting expressions and patterns, respectively. The first argument
5225 to each quoter is the (arbitrary) string enclosed in the Oxford brackets. The
5226 context of the quasi-quotation statement determines which of the two parsers is
5227 called: if the quasi-quotation occurs in an expression context, the expression
5228 parser is called, and if it occurs in a pattern context, the pattern parser is
5229 called.</para>
5230
5231 <para>
5232 Note that in the example we make use of an antiquoted
5233 variable <literal>n</literal>, indicated by the syntax <literal>'int:n</literal>
5234 (this syntax for anti-quotation was defined by the parser's
5235 author, <emphasis>not</emphasis> by GHC). This binds <literal>n</literal> to the
5236 integer value argument of the constructor <literal>IntExpr</literal> when
5237 pattern matching. Please see the referenced paper for further details regarding
5238 anti-quotation as well as the description of a technique that uses SYB to
5239 leverage a single parser of type <literal>String -> a</literal> to generate both
5240 an expression parser that returns a value of type <literal>Q Exp</literal> and a
5241 pattern parser that returns a value of type <literal>Q Pat</literal>.
5242 </para>
5243
5244 <para>In general, a quasi-quote has the form
5245 <literal>[$<replaceable>quoter</replaceable>| <replaceable>string</replaceable> |]</literal>.
5246 The <replaceable>quoter</replaceable> must be the name of an imported quoter; it
5247 cannot be an arbitrary expression.  The quoted <replaceable>string</replaceable> 
5248 can be arbitrary, and may contain newlines.
5249 </para>
5250 <para>
5251 Quasiquoters must obey the same stage restrictions as Template Haskell, e.g., in
5252 the example, <literal>expr</literal> cannot be defined
5253 in <literal>Main.hs</literal> where it is used, but must be imported.
5254 </para>
5255
5256 <programlisting>
5257
5258 {- Main.hs -}
5259 module Main where
5260
5261 import Expr
5262
5263 main :: IO ()
5264 main = do { print $ eval [$expr|1 + 2|]
5265           ; case IntExpr 1 of
5266               { [$expr|'int:n|] -> print n
5267               ;  _              -> return ()
5268               }
5269           }
5270
5271
5272 {- Expr.hs -}
5273 module Expr where
5274
5275 import qualified Language.Haskell.TH as TH
5276 import Language.Haskell.TH.Quasi
5277
5278 data Expr  =  IntExpr Integer
5279            |  AntiIntExpr String
5280            |  BinopExpr BinOp Expr Expr
5281            |  AntiExpr String
5282     deriving(Show, Typeable, Data)
5283
5284 data BinOp  =  AddOp
5285             |  SubOp
5286             |  MulOp
5287             |  DivOp
5288     deriving(Show, Typeable, Data)
5289
5290 eval :: Expr -> Integer
5291 eval (IntExpr n)        = n
5292 eval (BinopExpr op x y) = (opToFun op) (eval x) (eval y)
5293   where
5294     opToFun AddOp = (+)
5295     opToFun SubOp = (-)
5296     opToFun MulOp = (*)
5297     opToFun DivOp = div
5298
5299 expr = QuasiQuoter parseExprExp parseExprPat
5300
5301 -- Parse an Expr, returning its representation as
5302 -- either a Q Exp or a Q Pat. See the referenced paper
5303 -- for how to use SYB to do this by writing a single
5304 -- parser of type String -> Expr instead of two
5305 -- separate parsers.
5306
5307 parseExprExp :: String -> Q Exp
5308 parseExprExp ...
5309
5310 parseExprPat :: String -> Q Pat
5311 parseExprPat ...
5312 </programlisting>
5313
5314 <para>Now run the compiler:
5315 </para>
5316 <programlisting>
5317 $ ghc --make -XQuasiQuotes Main.hs -o main
5318 </programlisting>
5319
5320 <para>Run "main" and here is your output:</para>
5321
5322 <programlisting>
5323 $ ./main
5324 3
5325 1
5326 </programlisting>
5327
5328 </sect2>
5329
5330 </sect1>
5331
5332 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
5333
5334 <sect1 id="arrow-notation">
5335 <title>Arrow notation
5336 </title>
5337
5338 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
5339 For more details, see
5340 <itemizedlist>
5341
5342 <listitem>
5343 <para>
5344 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
5345 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
5346 pp67&ndash;111, May 2000.
5347 The paper that introduced arrows: a friendly introduction, motivated with
5348 programming examples.
5349 </para>
5350 </listitem>
5351
5352 <listitem>
5353 <para>
5354 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
5355 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
5356 Introduced the notation described here.
5357 </para>
5358 </listitem>
5359
5360 <listitem>
5361 <para>
5362 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
5363 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
5364 Palgrave, 2003.
5365 </para>
5366 </listitem>
5367
5368 <listitem>
5369 <para>
5370 &ldquo;<ulink url="http://www.cs.chalmers.se/~rjmh/afp-arrows.pdf">Programming with Arrows</ulink>&rdquo;,
5371 John Hughes, in <citetitle>5th International Summer School on
5372 Advanced Functional Programming</citetitle>,
5373 <citetitle>Lecture Notes in Computer Science</citetitle> vol. 3622,
5374 Springer, 2004.
5375 This paper includes another introduction to the notation,
5376 with practical examples.
5377 </para>
5378 </listitem>
5379
5380 <listitem>
5381 <para>
5382 &ldquo;<ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/papers/arrow-rules.pdf">Type and Translation Rules for Arrow Notation in GHC</ulink>&rdquo;,
5383 Ross Paterson and Simon Peyton Jones, September 16, 2004.
5384 A terse enumeration of the formal rules used
5385 (extracted from comments in the source code).
5386 </para>
5387 </listitem>
5388
5389 <listitem>
5390 <para>
5391 The arrows web page at
5392 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
5393 </para>
5394 </listitem>
5395
5396 </itemizedlist>
5397 With the <option>-XArrows</option> flag, GHC supports the arrow
5398 notation described in the second of these papers,
5399 translating it using combinators from the
5400 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
5401 module.
5402 What follows is a brief introduction to the notation;
5403 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
5404 </para>
5405
5406 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
5407 <screen>
5408 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
5409        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
5410 </screen>
5411 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
5412 The variables of the pattern are bound in the body of the 
5413 <literal>proc</literal>-expression,
5414 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
5415 The syntax of commands is as follows:
5416 <screen>
5417 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
5418        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
5419        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
5420 </screen>
5421 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
5422 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
5423 infix operators as for expressions, and
5424 <screen>
5425 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
5426        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
5427        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
5428        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
5429        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
5430        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
5431
5432 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
5433        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
5434        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
5435
5436 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
5437        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
5438        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
5439        |  <replaceable>cmd</replaceable>
5440 </screen>
5441 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
5442 except that the bodies are commands instead of expressions.
5443 </para>
5444
5445 <para>
5446 Commands produce values, but (like monadic computations)
5447 may yield more than one value,
5448 or none, and may do other things as well.
5449 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
5450 using commands.
5451 However the values of expressions, even monadic ones,
5452 are determined by the values of the variables they contain;
5453 this is not necessarily the case for commands.
5454 </para>
5455
5456 <para>
5457 A simple example of the new notation is the expression
5458 <screen>
5459 proc x -> f -&lt; x+1
5460 </screen>
5461 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
5462 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
5463 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
5464 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
5465 It refers to the input to the arrow.
5466 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
5467 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
5468 type and an expression to be fed as input to that arrow.
5469 (The weird look will make more sense later.)
5470 It may be read as analogue of application for arrows.
5471 The above example is equivalent to the Haskell expression
5472 <screen>
5473 arr (\ x -> x+1) >>> f
5474 </screen>
5475 That would make no sense if the expression to the left of
5476 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
5477 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
5478 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
5479 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
5480 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
5481 <screen>
5482 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
5483 </screen>
5484 which is equivalent to
5485 <screen>
5486 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
5487 </screen>
5488 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
5489 class.
5490 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
5491 you may find a monadic formulation more convenient.
5492 </para>
5493
5494 <sect2>
5495 <title>do-notation for commands</title>
5496
5497 <para>
5498 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
5499 For example, you can write
5500 <screen>
5501 proc x -> do
5502         y &lt;- f -&lt; x+1
5503         g -&lt; 2*y
5504         let z = x+y
5505         t &lt;- h -&lt; x*z
5506         returnA -&lt; t+z
5507 </screen>
5508 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
5509 but with commands in place of monadic expressions.
5510 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
5511 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
5512 <literal>y</literal>.
5513 In the next line, the output is discarded.
5514 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
5515 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
5516 module as <literal>arr id</literal>.
5517 The above example is treated as an abbreviation for
5518 <screen>
5519 arr (\ x -> (x, x)) >>>
5520         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
5521         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
5522         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
5523         arr snd >>>
5524         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
5525         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
5526         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
5527         returnA
5528 </screen>
5529 Note that variables not used later in the composition are projected out.
5530 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
5531 defined in the
5532 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
5533 module, this reduces to
5534 <screen>
5535 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
5536         first f >>>
5537         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
5538         first g >>>
5539         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
5540         first h >>>
5541         arr (\ (t, z) -> t+z)
5542 </screen>
5543 which is what you might have written by hand.
5544 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
5545 </para>
5546
5547 <para>
5548 Note that although the above translation suggests that
5549 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
5550 monomorphic, the actual translation produces Core,
5551 so polymorphic variables are allowed.
5552 </para>
5553
5554 <para>
5555 It's also possible to have mutually recursive bindings,
5556 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
5557 <programlisting>
5558 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
5559 counter = proc reset -> do
5560         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
5561                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
5562         returnA -&lt; output
5563 </programlisting>
5564 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
5565 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
5566 </para>
5567
5568 </sect2>
5569
5570 <sect2>
5571 <title>Conditional commands</title>
5572
5573 <para>
5574 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
5575 input for an arrow.
5576 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
5577 <screen>
5578 proc (x,y) ->
5579         if f x y
5580         then g -&lt; x+1
5581         else h -&lt; y+2
5582 </screen>
5583 which is translated to
5584 <screen>
5585 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
5586         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
5587 </screen>
5588 Since the translation uses <function>|||</function>,
5589 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
5590 </para>
5591
5592 <para>
5593 There are also <literal>case</literal> commands, like
5594 <screen>
5595 case input of
5596     [] -> f -&lt; ()
5597     [x] -> g -&lt; x+1
5598     x1:x2:xs -> do
5599         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
5600         ys &lt;- k -&lt; xs
5601         returnA -&lt; y:ys
5602 </screen>
5603 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
5604 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
5605 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
5606 </para>
5607
5608 </sect2>
5609
5610 <sect2>
5611 <title>Defining your own control structures</title>
5612
5613 <para>
5614 As we're seen, arrow notation provides constructs,
5615 modelled on those for expressions,
5616 for sequencing, value recursion and conditionals.
5617 But suitable combinators,
5618 which you can define in ordinary Haskell,
5619 may also be used to build new commands out of existing ones.
5620 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
5621 These environments assign values to the free local variables of the command.
5622 Thus combinators that produce arrows from arrows
5623 may also be used to build commands from commands.
5624 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
5625 <programlisting>
5626 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
5627 </programlisting>
5628 so we can use it to build commands:
5629 <programlisting>
5630 expr' = proc x -> do
5631                 returnA -&lt; x
5632         &lt;+> do
5633                 symbol Plus -&lt; ()
5634                 y &lt;- term -&lt; ()
5635                 expr' -&lt; x + y
5636         &lt;+> do
5637                 symbol Minus -&lt; ()
5638                 y &lt;- term -&lt; ()
5639                 expr' -&lt; x - y
5640 </programlisting>
5641 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
5642 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
5643 expression on the previous line.)
5644 This is equivalent to
5645 <programlisting>
5646 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
5647         &lt;+> (proc x -> do
5648                 symbol Plus -&lt; ()
5649                 y &lt;- term -&lt; ()
5650                 expr' -&lt; x + y)
5651         &lt;+> (proc x -> do
5652                 symbol Minus -&lt; ()
5653                 y &lt;- term -&lt; ()
5654                 expr' -&lt; x - y)
5655 </programlisting>
5656 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
5657 (representing the environment input to the command
5658 and thence to its subcommands)
5659 and satisfy the corresponding naturality property
5660 <screen>
5661 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
5662 </screen>
5663 at least for strict <literal>k</literal>.
5664 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
5665 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
5666 of the whole command,
5667 and also allows the translation to safely trim these environments.
5668 The operator must also not use any variable defined within the current
5669 arrow abstraction.
5670 </para>
5671
5672 <para>
5673 We could define our own operator
5674 <programlisting>
5675 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
5676 untilA body cond = proc x ->
5677         b &lt;- cond -&lt; x
5678         if b then returnA -&lt; ()
5679         else do
5680                 body -&lt; x
5681                 untilA body cond -&lt; x
5682 </programlisting>
5683 and use it in the same way.
5684 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
5685 there is also a more general syntax involving special brackets:
5686 <screen>
5687 proc x -> do
5688         y &lt;- f -&lt; x+1
5689         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
5690 </screen>
5691 </para>
5692
5693 </sect2>
5694
5695 <sect2>
5696 <title>Primitive constructs</title>
5697
5698 <para>
5699 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
5700 For example, in an arrow type supporting exceptions,
5701 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
5702 exception that occurred to the handler.
5703 Such an operator might have a type
5704 <screen>
5705 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
5706 </screen>
5707 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
5708 You could then use this with arrow notation by writing a command
5709 <screen>
5710 body `handleA` \ ex -> handler
5711 </screen>
5712 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
5713 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
5714 and the command <literal>handler</literal>,
5715 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
5716 Though the syntax here looks like a functional lambda,
5717 we are talking about commands, and something different is going on.
5718 The input to the arrow represented by a command consists of values for
5719 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
5720 In all the prior examples, this stack was empty.
5721 In the second argument to <function>handleA</function>,
5722 this stack consists of one value, the value of the exception.
5723 The command form of lambda merely gives this value a name.
5724 </para>
5725
5726 <para>
5727 More concretely,
5728 the values on the stack are paired to the right of the environment.
5729 So operators like <function>handleA</function> that pass
5730 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
5731 by pairing the values with the environment in this way.
5732 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
5733 should have the form
5734 <screen>
5735 a (...(e,t1), ... tn) t
5736 </screen>
5737 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
5738 (representing the environment)
5739 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
5740 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
5741 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
5742 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
5743 <replaceable>t</replaceable>.
5744 However the arrows involved need not be the same.
5745 Here are some more examples of suitable operators:
5746 <screen>
5747 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
5748 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
5749 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
5750 </screen>
5751 We can supply the extra input required by commands built with the last two
5752 by applying them to ordinary expressions, as in
5753 <screen>
5754 proc x -> do
5755         s &lt;- ...
5756         (|runReader (do { ... })|) s
5757 </screen>
5758 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
5759 built using <function>runReader</function>.
5760 </para>
5761
5762 <para>
5763 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
5764 the expression versions.
5765 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
5766 These three features (operators, lambda abstraction and application)
5767 are the core of the notation; everything else can be built using them,
5768 though the results would be somewhat clumsy.
5769 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
5770 <programlisting>
5771 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
5772 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
5773
5774 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
5775 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
5776 </programlisting>
5777 We could simulate <literal>if</literal> by defining
5778 <programlisting>
5779 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
5780 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
5781 </programlisting>
5782 </para>
5783
5784 </sect2>
5785
5786 <sect2>
5787 <title>Differences with the paper</title>
5788
5789 <itemizedlist>
5790
5791 <listitem>
5792 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
5793 translations, the implementation provides two forms
5794 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
5795 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
5796 </para>
5797 </listitem>
5798
5799 <listitem>
5800 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
5801 a new <literal>form</literal> keyword.
5802 </para>
5803 </listitem>
5804
5805 </itemizedlist>
5806
5807 </sect2>
5808
5809 <sect2>
5810 <title>Portability</title>
5811
5812 <para>
5813 Although only GHC implements arrow notation directly,
5814 there is also a preprocessor
5815 (available from the 
5816 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
5817 that translates arrow notation into Haskell 98
5818 for use with other Haskell systems.
5819 You would still want to check arrow programs with GHC;
5820 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
5821 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
5822 additional restrictions:
5823 <itemizedlist>
5824
5825 <listitem>
5826 <para>
5827 The module must import
5828 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
5829 </para>
5830 </listitem>
5831
5832 <listitem>
5833 <para>
5834 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
5835 These would have to go in separate modules.
5836 </para>
5837 </listitem>
5838
5839 <listitem>
5840 <para>
5841 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
5842 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
5843 </para>
5844 </listitem>
5845
5846 </itemizedlist>
5847 </para>
5848
5849 </sect2>
5850
5851 </sect1>
5852
5853 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
5854
5855 <sect1 id="bang-patterns">
5856 <title>Bang patterns
5857 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
5858 </title>
5859 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
5860 patterns</emphasis>.   Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
5861 The <ulink
5862 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
5863 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
5864 than the material below.
5865 </para>
5866 <para>
5867 Bang patterns are enabled by the flag <option>-XBangPatterns</option>.
5868 </para>
5869
5870 <sect2 id="bang-patterns-informal">
5871 <title>Informal description of bang patterns
5872 </title>
5873 <para>
5874 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
5875 <programlisting>
5876   pat ::= !pat
5877 </programlisting>
5878 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
5879 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
5880 Example:
5881 <programlisting>
5882 f1 !x = True
5883 </programlisting>
5884 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
5885 whereas without the bang it would be lazy.
5886 Bang patterns can be nested of course:
5887 <programlisting>
5888 f2 (!x, y) = [x,y]
5889 </programlisting>
5890 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
5891 <literal>y</literal>.  
5892 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
5893 <programlisting>
5894 f3 !(x,y) = [x,y]
5895 f4 (x,y)  = [x,y]
5896 </programlisting>
5897 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; putting a bang before a pattern that
5898 forces evaluation anyway does nothing.
5899 </para><para>
5900 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
5901 <programlisting>
5902 g5 x = let y = f x in body
5903 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
5904 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
5905 </programlisting>
5906 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
5907 But <literal>g7</literal> evaluates <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
5908 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
5909 </para><para>
5910 Bang patterns work in <literal>let</literal> and <literal>where</literal>
5911 definitions too. For example:
5912 <programlisting>
5913 let ![x,y] = e in b
5914 </programlisting>
5915 is a strict pattern: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
5916 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>
5917 The "<literal>!</literal>" should not be regarded as part of the pattern; after all,
5918 in a function argument <literal>![x,y]</literal> means the 
5919 same as <literal>[x,y]</literal>.  Rather, the "<literal>!</literal>" 
5920 is part of the syntax of <literal>let</literal> bindings.
5921 </para>
5922 </sect2>
5923
5924
5925 <sect2 id="bang-patterns-sem">
5926 <title>Syntax and semantics
5927 </title>
5928 <para>
5929
5930 We add a single new production to the syntax of patterns:
5931 <programlisting>
5932   pat ::= !pat
5933 </programlisting>
5934 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
5935 <programlisting>
5936 f !x = 3
5937 </programlisting>
5938 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
5939 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
5940 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
5941 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
5942 prefix notation:
5943 <programlisting>
5944 (!) f x = 3
5945 </programlisting>
5946 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
5947 url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
5948 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
5949 one extra item 10, saying:
5950 <itemizedlist><listitem><para>Matching
5951 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
5952 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
5953                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
5954                 <literal>v</literal></para></listitem>
5955 </itemizedlist>
5956 </para></listitem></itemizedlist>
5957 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
5958 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
5959 <programlisting>
5960 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
5961    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
5962 </programlisting>
5963 </para><para>
5964 That leaves let expressions, whose translation is given in 
5965 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
5966 3.12</ulink>
5967 of the Haskell Report.
5968 In the translation box, first apply 
5969 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
5970 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
5971 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
5972 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
5973 </para>
5974 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
5975 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
5976 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
5977 thus:
5978 <programlisting>
5979   let !y = f x in b
5980 </programlisting>
5981
5982 </para>
5983 <para>
5984 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
5985 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
5986 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
5987      is equivalent to
5988 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
5989 </para>
5990 <para>
5991 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
5992 a module.
5993 </para>
5994 </sect2>
5995 </sect1>
5996
5997 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
5998
5999 <sect1 id="assertions">
6000 <title>Assertions
6001 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
6002 </title>
6003
6004 <para>
6005 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
6006 could define a function like the following:
6007 </para>
6008
6009 <para>
6010
6011 <programlisting>
6012 assert :: Bool -> a -> a
6013 assert False x = error "assertion failed!"
6014 assert _     x = x
6015 </programlisting>
6016
6017 </para>
6018
6019 <para>
6020 which works, but gives you back a less than useful error message --
6021 an assertion failed, but which and where?
6022 </para>
6023
6024 <para>
6025 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
6026 takes a descriptive string to include in the error message and
6027 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
6028 the source location where <function>assert</function> was used.
6029 </para>
6030
6031 <para>
6032 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
6033 use of <function>assert</function> in the user's source:
6034 </para>
6035
6036 <para>
6037
6038 <programlisting>
6039 kelvinToC :: Double -> Double
6040 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
6041 </programlisting>
6042
6043 </para>
6044
6045 <para>
6046 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
6047 assertion was made,
6048 </para>
6049
6050 <para>
6051
6052 <programlisting>
6053 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
6054 </programlisting>
6055
6056 </para>
6057
6058 <para>
6059 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
6060 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
6061 can still define and use your own versions of
6062 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
6063 <literal>Control.Exception</literal> to make use
6064 <function>assert</function> in your code.
6065 </para>
6066
6067 <para>
6068 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
6069       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
6070 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
6071 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
6072       <option>-fignore-asserts</option>
6073       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
6074       </indexterm>.</para>
6075
6076 <para>
6077 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
6078 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
6079 </para>
6080
6081 </sect1>
6082
6083
6084 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
6085
6086   <sect1 id="pragmas">
6087     <title>Pragmas</title>
6088
6089     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
6090
6091     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
6092     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
6093     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
6094     of the generated code.</para>
6095
6096     <para>Pragmas all take the form
6097
6098 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
6099
6100     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
6101     pragma, and is followed optionally by information specific to that
6102     type of pragma.  Case is ignored in
6103     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
6104     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
6105     in the following sections; any pragma encountered with an
6106     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
6107     ignored. The layout rule applies in pragmas, so the closing <literal>#-}</literal>
6108     should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>. </para> 
6109
6110     <para>Certain pragmas are <emphasis>file-header pragmas</emphasis>.  A file-header
6111       pragma must precede the <literal>module</literal> keyword in the file.  
6112       There can be as many file-header pragmas as you please, and they can be
6113       preceded or followed by comments.</para>
6114
6115     <sect2 id="language-pragma">
6116       <title>LANGUAGE pragma</title>
6117
6118       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
6119       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
6120
6121       <para>The <literal>LANGUAGE</literal> pragma allows language extensions to be enabled 
6122         in a portable way.
6123         It is the intention that all Haskell compilers support the
6124         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
6125         all extensions are supported by all compilers, of
6126         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
6127         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
6128
6129       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
6130
6131 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
6132
6133         <para><literal>LANGUAGE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
6134
6135       <para>Every language extension can also be turned into a command-line flag
6136         by prefixing it with "<literal>-X</literal>"; for example <option>-XForeignFunctionInterface</option>.
6137         (Similarly, all "<literal>-X</literal>" flags can be written as <literal>LANGUAGE</literal> pragmas.
6138       </para>
6139
6140       <para>A list of all supported language extensions can be obtained by invoking
6141         <literal>ghc --supported-languages</literal> (see <xref linkend="modes"/>).</para>
6142
6143       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
6144         <ulink
6145           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink>
6146         may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
6147     </sect2>
6148
6149
6150     <sect2 id="options-pragma">
6151       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
6152       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
6153       </indexterm>
6154       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
6155       </indexterm>
6156
6157       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
6158       additional options that are given to the compiler when compiling
6159       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
6160       details.</para>
6161
6162       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
6163         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
6164     </sect2>
6165
6166         <para><literal>OPTIONS_GHC</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
6167
6168     <sect2 id="include-pragma">
6169       <title>INCLUDE pragma</title>
6170
6171       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
6172         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
6173         the C source code generated by the compiler for the current module (if
6174         compiling via C).  For example:</para>
6175
6176 <programlisting>
6177 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
6178 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
6179
6180         <para><literal>INCLUDE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
6181
6182       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
6183         to the <option>-#include</option> option (<xref
6184           linkend="options-C-compiler" />), because the
6185         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
6186         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
6187         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
6188         don't recommend using this approach with GHC.</para>
6189     </sect2>
6190
6191     <sect2 id="warning-deprecated-pragma">
6192       <title>WARNING and DEPRECATED pragmas</title>
6193       <indexterm><primary>WARNING</primary></indexterm>
6194       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary></indexterm>
6195
6196       <para>The WARNING pragma allows you to attach an arbitrary warning
6197       to a particular function, class, or type.
6198       A DEPRECATED pragma lets you specify that
6199       a particular function, class, or type is deprecated.
6200       There are two ways of using these pragmas.
6201
6202       <itemizedlist>
6203         <listitem>
6204           <para>You can work on an entire module thus:</para>
6205 <programlisting>
6206    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
6207      ...
6208 </programlisting>
6209       <para>Or:</para>
6210 <programlisting>
6211    module Wibble {-# WARNING "This is an unstable interface." #-} where
6212      ...
6213 </programlisting>
6214           <para>When you compile any module that import
6215           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
6216           message.</para>
6217         </listitem>
6218
6219         <listitem>
6220           <para>You can attach a warning to a function, class, type, or data constructor, with the
6221           following top-level declarations:</para>
6222 <programlisting>
6223    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
6224    {-# WARNING unsafePerformIO "This is unsafe; I hope you know what you're doing" #-}
6225 </programlisting>
6226           <para>When you compile any module that imports and uses any
6227           of the specified entities, GHC will print the specified
6228           message.</para>
6229           <para> You can only attach to entities declared at top level in the module
6230           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
6231           entities. A capitalised name, such as <literal>T</literal>
6232           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
6233           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
6234           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to
6235       specify one without the other (c.f. fixities
6236       <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
6237         </listitem>
6238       </itemizedlist>
6239       Warnings and deprecations are not reported for
6240       (a) uses within the defining module, and
6241       (b) uses in an export list.
6242       The latter reduces spurious complaints within a library
6243       in which one module gathers together and re-exports 
6244       the exports of several others.
6245       </para>
6246       <para>You can suppress the warnings with the flag
6247       <option>-fno-warn-warnings-deprecations</option>.</para>
6248     </sect2>
6249
6250     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
6251       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
6252
6253       <para>These pragmas control the inlining of function
6254       definitions.</para>
6255
6256       <sect3 id="inline-pragma">
6257         <title>INLINE pragma</title>
6258         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
6259
6260         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
6261         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
6262         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
6263         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
6264         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
6265         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
6266         export that unfolding for other modules to use.</para>
6267
6268         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
6269         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
6270         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
6271
6272 <programlisting>
6273 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
6274 {-# INLINE key_function #-}
6275 </programlisting>
6276
6277         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
6278         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
6279         The normal unfolding machinery will then be very keen to
6280         inline it.  However, an <literal>INLINE</literal> pragma for a 
6281         function "<literal>f</literal>" has a number of other effects:
6282 <itemizedlist>
6283 <listitem><para>
6284 No functions are inlined into <literal>f</literal>.  Otherwise
6285 GHC might inline a big function into <literal>f</literal>'s right hand side, 
6286 making <literal>f</literal> big; and then inline <literal>f</literal> blindly.
6287 </para></listitem>
6288 <listitem><para>
6289 The float-in, float-out, and common-sub-expression transformations are not 
6290 applied to the body of <literal>f</literal>.  
6291 </para></listitem>
6292 <listitem><para>
6293 An INLINE function is not worker/wrappered by strictness analysis.
6294 It's going to be inlined wholesale instead.
6295 </para></listitem>
6296 </itemizedlist>
6297 All of these effects are aimed at ensuring that what gets inlined is
6298 exactly what you asked for, no more and no less.
6299 </para>
6300 <para>GHC ensures that inlining cannot go on forever: every mutually-recursive
6301 group is cut by one or more <emphasis>loop breakers</emphasis> that is never inlined
6302 (see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/Papers/inlining/index.htm">
6303 Secrets of the GHC inliner, JFP 12(4) July 2002</ulink>).
6304 GHC tries not to select a function with an INLINE pragma as a loop breaker, but
6305 when there is no choice even an INLINE function can be selected, in which case
6306 the INLINE pragma is ignored.
6307 For example, for a self-recursive function, the loop breaker can only be the function
6308 itself, so an INLINE pragma is always ignored.</para>
6309
6310         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
6311         function can be put anywhere its type signature could be
6312         put.</para>
6313
6314         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
6315         good idea for the
6316         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
6317         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
6318         a monad.  For example, in GHC's own
6319         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
6320
6321 <programlisting>
6322 {-# INLINE thenUs #-}
6323 {-# INLINE returnUs #-}
6324 </programlisting>
6325
6326         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
6327         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
6328
6329         <para>Note: the HBC compiler doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas,
6330           so if you want your code to be HBC-compatible you'll have to surround
6331           the pragma with C pre-processor directives 
6332           <literal>#ifdef __GLASGOW_HASKELL__</literal>...<literal>#endif</literal>.</para>
6333
6334       </sect3>
6335
6336       <sect3 id="noinline-pragma">
6337         <title>NOINLINE pragma</title>
6338         
6339         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
6340         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
6341
6342         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
6343         you'd expect: it stops the named function from being inlined
6344         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
6345         you're very cautious about code size.</para>
6346
6347         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
6348         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
6349         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
6350         inlining, so it should be used if you want your code to be
6351         portable).</para>
6352       </sect3>
6353
6354       <sect3 id="phase-control">
6355         <title>Phase control</title>
6356
6357         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
6358         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
6359         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
6360         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
6361         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
6362         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
6363         sequence of phase numbers for successive runs of the
6364         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
6365         phase number, thus:
6366         <itemizedlist>
6367           <listitem>
6368             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
6369             <literal>f</literal>
6370               until phase <literal>k</literal>, but from phase
6371               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
6372             </para></listitem>
6373           <listitem>
6374             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
6375             <literal>f</literal>
6376               until phase <literal>k</literal>, but from phase
6377               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
6378             </para></listitem>
6379           <listitem>
6380             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
6381             <literal>f</literal>
6382               until phase <literal>k</literal>, but from phase
6383               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
6384               there was no pragma).
6385             </para></listitem>
6386             <listitem>
6387             <para>"<literal>NOINLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
6388             <literal>f</literal>
6389               until phase <literal>k</literal>, but from phase
6390               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
6391             </para></listitem>
6392         </itemizedlist>
6393 The same information is summarised here:
6394 <programlisting>
6395                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
6396   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
6397   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
6398   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
6399   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
6400
6401   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
6402   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
6403 </programlisting>
6404 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
6405 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
6406 Another way to understand the semantics is this:
6407 <itemizedlist>
6408 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
6409 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
6410 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
6411 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
6412 happen.
6413 </para></listitem>
6414 </itemizedlist>
6415 </para>
6416 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
6417         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
6418       </sect3>
6419     </sect2>
6420
6421     <sect2 id="line-pragma">
6422       <title>LINE pragma</title>
6423
6424       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
6425       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
6426       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
6427       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
6428       code.  It lets you specify the line number and filename of the
6429       original code; for example</para>
6430
6431 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
6432
6433       <para>if you'd generated the current file from something called
6434       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
6435       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
6436       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
6437       pragma.</para>
6438     </sect2>
6439
6440     <sect2 id="rules">
6441       <title>RULES pragma</title>
6442
6443       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
6444       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
6445     </sect2>
6446
6447     <sect2 id="specialize-pragma">
6448       <title>SPECIALIZE pragma</title>
6449
6450       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
6451       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
6452       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
6453
6454       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
6455       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
6456       specialised to particular types.  Thus, if you have an
6457       overloaded function:</para>
6458
6459 <programlisting>
6460   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
6461 </programlisting>
6462
6463       <para>If it is heavily used on lists with
6464       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
6465       follows:</para>
6466
6467 <programlisting>
6468   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
6469 </programlisting>
6470
6471       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
6472       be put anywhere its type signature could be put.</para>
6473
6474       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
6475       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
6476       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
6477       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
6478
6479       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
6480         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
6481         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
6482 <programlisting>
6483   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
6484 </programlisting>
6485       is valid if and only if the definition
6486 <programlisting>
6487   f_spec :: &lt;type&gt;
6488   f_spec = f
6489 </programlisting>
6490       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
6491       for the original function, not its code):
6492 <programlisting>
6493   f :: Eq a => a -> b -> b
6494   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
6495
6496   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
6497   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
6498
6499   h :: Eq a => a -> a -> a
6500   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
6501 </programlisting>
6502 The last of these examples will generate a 
6503 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
6504 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
6505 </para>
6506
6507 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
6508 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
6509 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
6510 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised version of the
6511 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
6512 example is this:
6513 <programlisting>
6514 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
6515 data Arr e where
6516   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
6517   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
6518
6519 (!:) :: Arr e -> Int -> e
6520 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
6521 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
6522 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
6523 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
6524 </programlisting>
6525 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
6526 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
6527 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
6528 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
6529 <literal>(!:)</literal>,
6530 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
6531 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
6532 unrolling of the indexing function.</para>
6533 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
6534 on an ordinarily-recursive function.</para>
6535
6536       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
6537       specialised function for a given type:
6538
6539 <programlisting>
6540 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
6541 </programlisting>
6542
6543       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
6544       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
6545
6546     </sect2>
6547
6548 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
6549 <title>SPECIALIZE instance pragma
6550 </title>
6551
6552 <para>
6553 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
6554 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
6555 Same idea, except for instance declarations.  For example:
6556
6557 <programlisting>
6558 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
6559    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
6560    ... usual stuff ...
6561  }
6562 </programlisting>
6563 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
6564 of the instance declaration.
6565 </para>
6566 <para>
6567 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
6568 of the pragma.
6569 </para>
6570
6571 </sect2>
6572
6573     <sect2 id="unpack-pragma">
6574       <title>UNPACK pragma</title>
6575
6576       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
6577       
6578       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
6579       that it should unpack the contents of a constructor field into
6580       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
6581       example:</para>
6582
6583 <programlisting>
6584 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
6585            {-# UNPACK #-} !Float
6586 </programlisting>
6587
6588       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
6589       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
6590       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
6591       floats passed to a non-strict function for example, they will
6592       have to be reboxed (this is done automatically by the
6593       compiler).</para>
6594
6595       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
6596       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
6597       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
6598       often as possible.  For example:</para>
6599
6600 <programlisting>
6601 f :: T -&#62; Float
6602 f (T f1 f2) = f1 + f2
6603 </programlisting>
6604
6605       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
6606       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
6607       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
6608
6609       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
6610       example</para>
6611
6612 <programlisting>
6613 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
6614 </programlisting>
6615
6616       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
6617       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
6618       Multi-level unpacking is also supported:
6619
6620 <programlisting>
6621 data T = T {-# UNPACK #-} !S
6622 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
6623 </programlisting>
6624
6625       will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
6626       directly in the <function>T</function> constructor.  The
6627       unpacker can see through newtypes, too.</para>
6628
6629       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
6630       so it might be an idea to check the generated code with
6631       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
6632
6633       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
6634       which essentially has the effect of adding
6635       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
6636       constructor field.</para>
6637     </sect2>
6638
6639     <sect2 id="source-pragma">
6640       <title>SOURCE pragma</title>
6641
6642       <indexterm><primary>SOURCE</primary></indexterm>
6643      <para>The <literal>{-# SOURCE #-}</literal> pragma is used only in <literal>import</literal> declarations,
6644      to break a module loop.  It is described in detail in <xref linkend="mutual-recursion"/>.
6645      </para>
6646 </sect2>
6647
6648 </sect1>
6649
6650 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
6651
6652 <sect1 id="rewrite-rules">
6653 <title>Rewrite rules
6654
6655 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
6656 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
6657 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
6658
6659 <para>
6660 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
6661 (in a pragma).  
6662 Here is an example:
6663
6664 <programlisting>
6665   {-# RULES
6666   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
6667     #-}
6668 </programlisting>
6669 </para>
6670 <para>
6671 Use the debug flag <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules fired.
6672 If you need more information, then <option>-ddump-rule-firings</option> shows you
6673 each individual rule firing in detail.
6674 </para>
6675
6676 <sect2>
6677 <title>Syntax</title>
6678
6679 <para>
6680 From a syntactic point of view:
6681
6682 <itemizedlist>
6683
6684 <listitem>
6685 <para>
6686  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma, separated by semicolons (which
6687  may be generated by the layout rule).
6688 </para>
6689 </listitem>
6690
6691 <listitem>
6692 <para>
6693 The layout rule applies in a pragma.
6694 Currently no new indentation level
6695 is set, so if you put several rules in single RULES pragma and wish to use layout to separate them,
6696 you must lay out the starting in the same column as the enclosing definitions.
6697 <programlisting>
6698   {-# RULES
6699   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
6700   "map/append" forall f xs ys. map f (xs ++ ys) = map f xs ++ map f ys
6701     #-}
6702 </programlisting>
6703 Furthermore, the closing <literal>#-}</literal>
6704 should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>.
6705 </para>
6706 </listitem>
6707
6708 <listitem>
6709 <para>
6710  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
6711 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
6712 </para>
6713 </listitem>
6714
6715 <listitem>
6716 <para>
6717 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
6718 immediately after the name of the rule.  Thus:
6719 <programlisting>
6720   {-# RULES
6721         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
6722     #-}
6723 </programlisting>
6724 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
6725 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
6726 Phase 2.
6727 </para>
6728 </listitem>
6729
6730
6731
6732 <listitem>
6733 <para>
6734  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
6735 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
6736 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
6737 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
6738 </para>
6739 </listitem>
6740 <listitem>
6741
6742 <para>
6743  A pattern variable may optionally have a type signature.
6744 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
6745 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
6746
6747 <programlisting>
6748 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
6749               foldr k z (build g) = g k z
6750 </programlisting>
6751
6752 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
6753
6754 </para>
6755 </listitem>
6756 <listitem>
6757
6758 <para>
6759 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
6760 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
6761
6762 <programlisting>
6763 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
6764 "wrong2"   forall f.      f True = True
6765 </programlisting>
6766
6767 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
6768 in the head.
6769 </para>
6770 </listitem>
6771 <listitem>
6772
6773 <para>
6774  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
6775 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
6776 </para>
6777 </listitem>
6778 <listitem>
6779
6780 <para>
6781  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
6782 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
6783 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
6784 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
6785 declarations.
6786 </para>
6787 </listitem>
6788
6789 <listitem>
6790
6791 <para>
6792 Inside a RULE "<literal>forall</literal>" is treated as a keyword, regardless of
6793 any other flag settings.  Furthermore, inside a RULE, the language extension
6794 <option>-XScopedTypeVariables</option> is automatically enabled; see 
6795 <xref linkend="scoped-type-variables"/>.
6796 </para>
6797 </listitem>
6798 <listitem>
6799
6800 <para>
6801 Like other pragmas, RULE pragmas are always checked for scope errors, and
6802 are typechecked. Typechecking means that the LHS and RHS of a rule are typechecked, 
6803 and must have the same type.  However, rules are only <emphasis>enabled</emphasis>
6804 if the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag is 
6805 on (see <xref linkend="rule-semantics"/>).
6806 </para>
6807 </listitem>
6808 </itemizedlist>
6809
6810 </para>
6811
6812 </sect2>
6813
6814 <sect2 id="rule-semantics">
6815 <title>Semantics</title>
6816
6817 <para>
6818 From a semantic point of view:
6819
6820 <itemizedlist>
6821 <listitem>
6822 <para>
6823 Rules are enabled (that is, used during optimisation)
6824 by the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag.
6825 This flag is implied by <option>-O</option>, and may be switched
6826 off (as usual) by <option>-fno-enable-rewrite-rules</option>.
6827 (NB: enabling <option>-fenable-rewrite-rules</option> without <option>-O</option> 
6828 may not do what you expect, though, because without <option>-O</option> GHC 
6829 ignores all optimisation information in interface files;
6830 see <option>-fignore-interface-pragmas</option>, <xref linkend="options-f"/>.)
6831 Note that <option>-fenable-rewrite-rules</option> is an <emphasis>optimisation</emphasis> flag, and
6832 has no effect on parsing or typechecking.
6833 </para>
6834 </listitem>
6835
6836 <listitem>
6837 <para>
6838  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
6839 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
6840 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
6841 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
6842 expression by substituting for the pattern variables.
6843
6844 </para>
6845 </listitem>
6846 <listitem>
6847
6848 <para>
6849  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
6850 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
6851 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
6852
6853 </para>
6854 </listitem>
6855 <listitem>
6856
6857 <para>
6858  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
6859 terminating.  For example:
6860
6861 <programlisting>
6862   "loop"        forall x y.  f x y = f y x
6863 </programlisting>
6864
6865 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
6866
6867 </para>
6868 </listitem>
6869 <listitem>
6870
6871 <para>
6872  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
6873
6874 </para>
6875 </listitem>
6876 <listitem>
6877 <para>
6878  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
6879 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
6880 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
6881 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
6882 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
6883 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
6884 </para>
6885
6886 <para>
6887 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
6888 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
6889 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
6890 </para>
6891 </listitem>
6892 <listitem>
6893
6894 <para>
6895  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
6896 For example, consider:
6897
6898 <programlisting>
6899   let s = map f
6900       t = map g
6901   in
6902   s (t xs)
6903 </programlisting>
6904
6905 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
6906 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
6907 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
6908 not be substituted, and the rule would not fire.
6909
6910 </para>
6911 </listitem>
6912 <listitem>
6913
6914 <para>
6915 Ordinary inlining happens at the same time as rule rewriting, which may lead to unexpected
6916 results.  Consider this (artificial) example
6917 <programlisting>
6918 f x = x
6919 {-# RULES "f" f True = False #-}
6920
6921 g y = f y
6922
6923 h z = g True
6924 </programlisting>
6925 Since <literal>f</literal>'s right-hand side is small, it is inlined into <literal>g</literal>,
6926 to give
6927 <programlisting>
6928 g y = y
6929 </programlisting>
6930 Now <literal>g</literal> is inlined into <literal>h</literal>, but <literal>f</literal>'s RULE has
6931 no chance to fire.  
6932 If instead GHC had first inlined <literal>g</literal> into <literal>h</literal> then there
6933 would have been a better chance that <literal>f</literal>'s RULE might fire.  
6934 </para>
6935 <para>
6936 The way to get predictable behaviour is to use a NOINLINE 
6937 pragma on <literal>f</literal>, to ensure
6938 that it is not inlined until its RULEs have had a chance to fire.
6939 </para>
6940 </listitem>
6941 </itemizedlist>
6942
6943 </para>
6944
6945 </sect2>
6946
6947 <sect2>
6948 <title>List fusion</title>
6949
6950 <para>
6951 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
6952 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
6953 intermediate list should be eliminated entirely.
6954 </para>
6955
6956 <para>
6957 The following are good producers:
6958
6959 <itemizedlist>
6960 <listitem>
6961
6962 <para>
6963  List comprehensions
6964 </para>
6965 </listitem>
6966 <listitem>
6967
6968 <para>
6969  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
6970 </para>
6971 </listitem>
6972 <listitem>
6973
6974 <para>
6975  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
6976 </para>
6977 </listitem>
6978 <listitem>
6979
6980 <para>
6981  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
6982 </para>
6983 </listitem>
6984 <listitem>
6985
6986 <para>
6987  <function>++</function>
6988 </para>
6989 </listitem>
6990
6991 <listitem>
6992 <para>
6993  <function>map</function>
6994 </para>
6995 </listitem>
6996
6997 <listitem>
6998 <para>
6999 <function>take</function>, <function>filter</function>
7000 </para>
7001 </listitem>
7002 <listitem>
7003
7004 <para>
7005  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
7006 </para>
7007 </listitem>
7008 <listitem>
7009
7010 <para>
7011  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
7012 </para>
7013 </listitem>
7014
7015 </itemizedlist>
7016
7017 </para>
7018
7019 <para>
7020 The following are good consumers:
7021
7022 <itemizedlist>
7023 <listitem>
7024
7025 <para>
7026  List comprehensions
7027 </para>
7028 </listitem>
7029 <listitem>
7030
7031 <para>
7032  <function>array</function> (on its second argument)
7033 </para>
7034 </listitem>
7035 <listitem>
7036
7037 <para>
7038  <function>++</function> (on its first argument)
7039 </para>
7040 </listitem>
7041
7042 <listitem>
7043 <para>
7044  <function>foldr</function>
7045 </para>
7046 </listitem>
7047
7048 <listitem>
7049 <para>
7050  <function>map</function>
7051 </para>
7052 </listitem>
7053 <listitem>
7054
7055 <para>
7056 <function>take</function>, <function>filter</function>
7057 </para>
7058 </listitem>
7059 <listitem>
7060
7061 <para>
7062  <function>concat</function>
7063 </para>
7064 </listitem>
7065 <listitem>
7066
7067 <para>
7068  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
7069 </para>
7070 </listitem>
7071 <listitem>
7072
7073 <para>
7074  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
7075 will fuse with one but not the other)
7076 </para>
7077 </listitem>
7078 <listitem>
7079
7080 <para>
7081  <function>partition</function>
7082 </para>
7083 </listitem>
7084 <listitem>
7085
7086 <para>
7087  <function>head</function>
7088 </para>
7089 </listitem>
7090 <listitem>
7091
7092 <para>
7093  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
7094 </para>
7095 </listitem>
7096 <listitem>
7097
7098 <para>
7099  <function>sequence&lowbar;</function>
7100 </para>
7101 </listitem>
7102 <listitem>
7103
7104 <para>
7105  <function>msum</function>
7106 </para>
7107 </listitem>
7108 <listitem>
7109
7110 <para>
7111  <function>sortBy</function>
7112 </para>
7113 </listitem>
7114
7115 </itemizedlist>
7116
7117 </para>
7118
7119  <para>
7120 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
7121
7122 <programlisting>
7123 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
7124 </programlisting>
7125
7126 </para>
7127
7128 <para>
7129 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
7130 a lot which are not included, please tell us.
7131 </para>
7132
7133 <para>
7134 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
7135 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
7136 </para>
7137
7138 </sect2>
7139
7140 <sect2 id="rule-spec">
7141 <title>Specialisation
7142 </title>
7143
7144 <para>
7145 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
7146 present in earlier versions of GHC.
7147 For example, suppose that:
7148
7149 <programlisting>
7150 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
7151 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
7152 </programlisting>
7153
7154 where <function>intLookup</function> is an implementation of
7155 <function>genericLookup</function> that works very fast for
7156 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
7157 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
7158 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
7159 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
7160 It used to be possible to write
7161
7162 <programlisting>
7163 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
7164 </programlisting>
7165
7166 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
7167
7168 <programlisting>
7169 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
7170 </programlisting>
7171
7172 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
7173 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
7174 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
7175 What is more, this rule does not need to be in the same
7176 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
7177 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
7178 have an original definition available to specialise).
7179 </para>
7180
7181 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
7182 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
7183 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
7184
7185 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
7186 specialisation will Win Big:
7187
7188 <programlisting>
7189 toDouble :: Real a => a -> Double
7190 toDouble = fromRational . toRational
7191
7192 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
7193 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
7194 </programlisting>
7195
7196 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
7197 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
7198 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
7199 comparison.
7200 </para>
7201
7202 </sect2>
7203
7204 <sect2>
7205 <title>Controlling what's going on</title>
7206
7207 <para>
7208
7209 <itemizedlist>
7210 <listitem>
7211
7212 <para>
7213  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
7214 </para>
7215 </listitem>
7216 <listitem>
7217
7218 <para>
7219  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
7220 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
7221 </para>
7222 </listitem>
7223 <listitem>
7224
7225 <para>
7226  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks like this:
7227
7228 <programlisting>
7229         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
7230         {-# INLINE build #-}
7231         build g = g (:) []
7232 </programlisting>
7233
7234 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
7235 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
7236 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
7237 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
7238
7239 </para>
7240 </listitem>
7241 <listitem>
7242
7243 <para>
7244  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
7245 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
7246 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
7247 </para>
7248 </listitem>
7249
7250 </itemizedlist>
7251
7252 </para>
7253
7254 </sect2>
7255
7256 <sect2 id="core-pragma">
7257   <title>CORE pragma</title>
7258
7259   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
7260   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
7261   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
7262
7263 <para>
7264   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
7265   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
7266   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
7267   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
7268   literal as an argument.  The following function definition shows an
7269   example:
7270
7271 <programlisting>
7272 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
7273 </programlisting>
7274
7275   Semantically, this is equivalent to:
7276
7277 <programlisting>
7278 g x = show x
7279 </programlisting>
7280 </para>
7281
7282 <para>
7283   However, when external core is generated (via
7284   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
7285   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
7286   The core function declaration for <function>f</function> is:
7287 </para>
7288
7289 <programlisting>
7290   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
7291                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
7292     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
7293         (%note "foo"
7294          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
7295            {GHCziShow.ZCDShow
7296             (tpl1::GHCziBase.Int ->
7297                    a ->
7298                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
7299 r)
7300             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
7301             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
7302                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
7303 r) ->
7304               tpl2})
7305         (%note "bar"
7306          eta);
7307 </programlisting>
7308
7309 <para>
7310   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
7311   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
7312   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
7313   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
7314   <varname>x</varname>).
7315 </para>
7316
7317 </sect2>
7318
7319 </sect1>
7320
7321 <sect1 id="special-ids">
7322 <title>Special built-in functions</title>
7323 <para>GHC has a few built-in functions with special behaviour.  These
7324 are now described in the module <ulink
7325 url="../libraries/base/GHC-Prim.html"><literal>GHC.Prim</literal></ulink>
7326 in the library documentation.</para>
7327 </sect1>
7328
7329
7330 <sect1 id="generic-classes">
7331 <title>Generic classes</title>
7332
7333 <para>
7334 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
7335 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
7336 An example will give the idea:
7337 </para>
7338
7339 <programlisting>
7340   import Generics
7341
7342   class Bin a where
7343     toBin   :: a -> [Int]
7344     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
7345   
7346     toBin {| Unit |}    Unit      = []
7347     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
7348     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
7349     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
7350   
7351     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
7352     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
7353     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
7354     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
7355                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
7356 </programlisting>
7357 <para>
7358 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
7359 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
7360 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
7361 </para>
7362 <programlisting>
7363   data Unit    = Unit
7364   data a :+: b = Inl a | Inr b
7365   data a :*: b = a :*: b
7366 </programlisting>
7367 <para>
7368 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
7369 <programlisting>
7370   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
7371   instance Bin a => Bin [a]
7372 </programlisting>
7373 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
7374 where clause and over-ride whichever methods you please.
7375 </para>
7376
7377     <sect2>
7378       <title> Using generics </title>
7379       <para>To use generics you need to</para>
7380       <itemizedlist>
7381         <listitem>
7382           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
7383                 <option>-XGenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
7384                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
7385                 available.  </para>
7386         </listitem>
7387         <listitem>
7388           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
7389           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
7390           scope the data types <literal>Unit</literal>,
7391           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
7392           don't need this import if you don't mention these types
7393           explicitly; for example, if you are simply giving instance
7394           declarations.)</para>
7395         </listitem>
7396       </itemizedlist>
7397     </sect2>
7398
7399 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
7400 <para>
7401 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
7402 can be written infix (indeed, you can now use
7403 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
7404 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
7405 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
7406 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
7407 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
7408 anticipate wanting).
7409 </para>
7410 </sect2>
7411
7412 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
7413 <para>
7414 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
7415 is one that is defined using type patterns as above.
7416 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
7417 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
7418 generic default method.
7419 </para>
7420
7421 <para>
7422 Restrictions:
7423 <itemizedlist>
7424 <listitem>
7425 <para>
7426 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
7427 field labels.
7428 </para>
7429 </listitem>
7430
7431 <listitem>
7432 <para>
7433 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
7434 multi-parameter class.
7435 </para>
7436 </listitem>
7437
7438 <listitem>
7439 <para>
7440 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
7441 without.  So this is illegal:
7442 <programlisting>
7443   class Foo a where
7444     op :: a -> (a, Bool)
7445     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
7446     op x               = (x,    False)
7447 </programlisting>
7448 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
7449 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
7450 </para>
7451 </listitem>
7452
7453 <listitem>
7454 <para>
7455 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
7456 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:
7457 <programlisting>
7458   class Foo a where
7459     op :: a -> Bool
7460     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
7461     ...
7462 </programlisting>
7463 </para>
7464 </listitem>
7465
7466 <listitem>
7467 <para>
7468 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
7469 <programlisting>
7470        a :+: b
7471        a :*: b
7472        Unit
7473 </programlisting>
7474 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
7475 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
7476 must use the same type variables.  So this is illegal:
7477 <programlisting>
7478   class Foo a where
7479     op :: a -> Bool
7480     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
7481     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
7482 </programlisting>
7483 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
7484 So this too is illegal:
7485 <programlisting>
7486   class Foo a where
7487     op1 :: a -> Bool
7488     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
7489
7490     op2 :: a -> Bool
7491     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
7492 </programlisting>
7493 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type constructor
7494 into a single generic instance declaration.)
7495 </para>
7496 </listitem>
7497
7498 <listitem>
7499 <para>
7500 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
7501 </para>
7502 </listitem>
7503
7504 <listitem>
7505 <para>
7506 The type for a generic method can be built only from:
7507   <itemizedlist>
7508   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
7509   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
7510   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
7511   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
7512   </itemizedlist>
7513 Here are some example type signatures for generic methods:
7514 <programlisting>
7515     op1 :: a -> Bool
7516     op2 :: Bool -> (a,Bool)
7517     op3 :: [Int] -> a -> a
7518     op4 :: [a] -> Bool
7519 </programlisting>
7520 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
7521 inside a list.  
7522 </para>
7523 <para>
7524 This restriction is an implementation restriction: we just haven't got around to
7525 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
7526 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
7527 to the ones that are allowed.</para>
7528 </listitem>
7529
7530 <listitem>
7531 <para>
7532 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
7533 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
7534 do so if
7535   <itemizedlist>
7536   <listitem>
7537   <para>
7538   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
7539   </para>
7540   </listitem>
7541   <listitem>
7542   <para>
7543   No constructor of the instance type has unboxed fields.
7544   </para>
7545   </listitem>
7546   </itemizedlist>
7547 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
7548 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
7549 provided you give explicit code to override any generic default methods.
7550 </para>
7551 </listitem>
7552
7553 </itemizedlist>
7554 </para>
7555
7556 <para>
7557 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
7558 what the compiler does with generic declarations.
7559 </para>
7560
7561 </sect2>
7562
7563 <sect2> <title> Another example </title>
7564 <para>
7565 Just to finish with, here's another example I rather like:
7566 <programlisting>
7567   class Tag a where
7568     nCons :: a -> Int
7569     nCons {| Unit |}    _ = 1
7570     nCons {| a :*: b |} _ = 1
7571     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
7572   
7573     tag :: a -> Int
7574     tag {| Unit |}    _       = 1
7575     tag {| a :*: b |} _       = 1   
7576     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
7577     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
7578 </programlisting>
7579 </para>
7580 </sect2>
7581 </sect1>
7582
7583 <sect1 id="monomorphism">
7584 <title>Control over monomorphism</title>
7585
7586 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
7587 carried out at let and where bindings.
7588 </para>
7589
7590 <sect2>
7591 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
7592           <indexterm><primary><option>-XNoMonomorphismRestriction</option></primary></indexterm>
7593
7594 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
7595 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
7596 4.5.5</ulink>
7597 of the Haskell Report)
7598 can be completely switched off by
7599 <option>-XNoMonomorphismRestriction</option>.
7600 </para>
7601 </sect2>
7602
7603 <sect2>
7604 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
7605           <indexterm><primary><option>-XNoMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
7606           <indexterm><primary><option>-XMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
7607
7608           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
7609           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
7610             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
7611             and is not a simple variable.  For example:
7612 <programlisting>
7613   f x = x                    -- Not a pattern binding
7614   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
7615   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
7616
7617   (g,h) = e                  -- A pattern binding
7618   (f) = e                    -- A pattern binding
7619   [x] = e                    -- A pattern binding
7620 </programlisting>
7621 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
7622 default</emphasis>.  Use <option>-XNoMonoPatBinds</option> to recover the
7623 standard behaviour.
7624 </para>
7625 </sect2>
7626 </sect1>
7627
7628
7629
7630 <!-- Emacs stuff:
7631      ;;; Local Variables: ***
7632      ;;; mode: xml ***
7633      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
7634      ;;; ispell-local-dictionary: "british" ***
7635      ;;; End: ***
7636  -->
7637