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