Add note about overlapping instances
[ghc-hetmet.git] / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>,<option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120         </term>
121         <listitem>
122           <para> These two flags control how generalisation is done.
123             See <xref linkend="monomorphism"/>.
124           </para>
125         </listitem>
126       </varlistentry>
127
128       <varlistentry>
129         <term>
130           <option>-fextended-default-rules</option>:
131           <indexterm><primary><option>-fextended-default-rules</option></primary></indexterm>
132         </term>
133         <listitem>
134           <para> Use GHCi's extended default rules in a regular module (<xref linkend="extended-default-rules"/>).
135           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
136           flag. </para>
137         </listitem>
138       </varlistentry>
139
140       <varlistentry>
141         <term>
142           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
143           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
144         </term>
145         <term>
146           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
147           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
148         </term>
149         <term>
150           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
151           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
152         </term>
153         <term>
154           <option>-fcontext-stack=N</option>
155           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
159           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-finline-phase</option>
166           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
170           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171         </listitem>
172       </varlistentry>
173
174       <varlistentry>
175         <term>
176           <option>-farrows</option>
177           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
178         </term>
179         <listitem>
180           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
181           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
182
183           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
184           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
185           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
186           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
187
188           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
189           <literal>|)</literal>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term>
195           <option>-fgenerics</option>
196           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
197         </term>
198         <listitem>
199           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
200           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
201         </listitem>
202       </varlistentry>
203
204       <varlistentry>
205         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
206         <listitem>
207           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
208           option</primary></indexterm> GHC normally imports
209           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
210           rather it didn't, then give it a
211           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
212           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
213           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
214           namespace is flat, and you must not conflict with any
215           Prelude module.)</para>
216
217           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
218           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
219           Prelude types and values, as specified by the Haskell
220           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
221           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
222           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
223           translation for list comprehensions continues to use
224           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
225
226           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
227           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
228           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
229         </listitem>
230       </varlistentry>
231
232       <varlistentry>
233         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
234         <listitem>
235           <para>Enables implicit parameters (see <xref
236           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
237           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
238
239           <para>Syntax stolen:
240           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
241           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
242         </listitem>
243       </varlistentry>
244
245       <varlistentry>
246         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
247         <listitem>
248           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
249           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
250           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
251         </listitem>
252       </varlistentry>
253
254       <varlistentry>
255         <term><option>-fth</option></term>
256         <listitem>
257           <para>Enables Template Haskell (see <xref
258           linkend="template-haskell"/>).  This flag must
259           be given explicitly; it is no longer implied by
260           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
261
262           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
263           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
264           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
265           <literal>$(</literal>,
266           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
267         </listitem>
268       </varlistentry>
269
270     </variablelist>
271   </sect1>
272
273 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
274 <!--    included from primitives.sgml  -->
275 <!-- &primitives; -->
276 <sect1 id="primitives">
277   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
278
279 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
280 While you really can use this stuff to write fast code,
281   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
282   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
283   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
284   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
285   about it.</para>
286
287 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
288 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
289 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
290 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
291
292 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
293 work over those types, is held in the file
294 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
295 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
296 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
297
298 <para> Indeed,
299 the result of such processing is part of the description of the 
300  <ulink
301       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
302          Core language</ulink>.
303 So that document is a good place to look for a type-set version.
304 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
305 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
306 we could include the results here in the User Guide.</para>
307
308 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
309   
310 <sect2 id="glasgow-unboxed">
311 <title>Unboxed types
312 </title>
313
314 <para>
315 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
316 </para>
317
318 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
319 that values of that type are represented by a pointer to a heap
320 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
321 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
322 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
323 allocation are involved.
324 </para>
325
326 <para>
327 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
328 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
329 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
330 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
331 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
332 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
333 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
334 know and love&mdash;usually one instruction.
335 </para>
336
337 <para>
338 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
339 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
340 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
341 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
342 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
343 </para>
344
345 <para>
346 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
347 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
348 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
349 a primitive value might be represented by a pointer to a
350 heap-allocated object.  Examples include
351 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
352 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
353 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
354 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
355 represents a primitive value, then it really does point to that value:
356 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
357 other end of the pointer than the primitive value.
358 A numerically-intensive program using unboxed types can
359 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
360 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
361 </para>
362
363 <para>
364 There are some restrictions on the use of primitive types:
365 <itemizedlist>
366 <listitem><para>The main restriction
367 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
368 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
369 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
370 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
371 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
372 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
373 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
374 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
375 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
376 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
377 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
378 </para>
379 </listitem>
380 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
381 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
382 </para></listitem>
383 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
384 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
385 </para></listitem>
386 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
387 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
388 pattern-match
389 to become strict.  For example:
390 <programlisting>
391   data Foo = Foo Int Int#
392
393   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
394 </programlisting>
395 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
396 match
397 is strict, and the program behaves as if you had written
398 <programlisting>
399   data Foo = Foo Int Int#
400
401   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
402 </programlisting>
403 </para>
404 </listitem>
405 </itemizedlist>
406 </para>
407
408 </sect2>
409
410 <sect2 id="unboxed-tuples">
411 <title>Unboxed Tuples
412 </title>
413
414 <para>
415 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
416 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
417 unboxed tuple looks like this:
418 </para>
419
420 <para>
421
422 <programlisting>
423 (# e_1, ..., e_n #)
424 </programlisting>
425
426 </para>
427
428 <para>
429 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
430 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
431 the same.
432 </para>
433
434 <para>
435 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
436 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
437 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
438 components are put directly into registers or on the stack; the
439 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
440 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
441 tuples.
442 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
443 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
444 </para>
445
446 <para>
447 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
448 <itemizedlist>
449 <listitem>
450
451 <para>
452 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
453 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
454 structures or passed to polymorphic functions.
455
456 </para>
457 </listitem>
458 <listitem>
459
460 <para>
461 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
462 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
463
464
465 <programlisting>
466   data Foo = Foo (# Int, Int #)
467
468   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
469   f x = x
470
471   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
472   g (# a,b #) = a
473
474   h x = let y = (# x,x #) in ...
475 </programlisting>
476 </para>
477 </listitem>
478 </itemizedlist>
479 </para>
480 <para>
481 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
482 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
483 <programlisting>
484   f x y = (# x+1, y-1 #)
485   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
486 </programlisting>
487 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
488 <programlisting>
489   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
490 </programlisting>
491 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
492 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
493 above example desugars like this:
494 <programlisting>
495   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
496             p = fst t
497             q = snd t
498         in ..body..
499 </programlisting>
500 Indeed, the bindings can even be recursive.
501 </para>
502
503 </sect2>
504 </sect1>
505
506
507 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
508
509 <sect1 id="syntax-extns">
510 <title>Syntactic extensions</title>
511  
512     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
513
514     <sect2 id="hierarchical-modules">
515       <title>Hierarchical Modules</title>
516
517       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
518       names: a module name is allowed to contain a dot
519       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
520       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
521       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
522       more flexible hierarchy of modules.</para>
523
524       <para>This extension has very little impact on the language
525       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
526       qualified, so you can just think of the fully qualified module
527       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
528       means that the full module name must be given after the
529       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
530       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
531       begin</para>
532
533 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
534
535
536       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
537       keyword to save some typing when using qualified names with
538       hierarchical modules.  For example:</para>
539
540 <programlisting>
541 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
542 </programlisting>
543
544       <para>For details on how GHC searches for source and interface
545       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
546       linkend="search-path"/>.</para>
547
548       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
549       hierarchically; see the accompanying library documentation.
550       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
551       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
552       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
553       current status of that project.  For more details, see <ulink
554       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
555       Libraries</ulink>.</para>
556
557     </sect2>
558
559     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
560
561 <sect2 id="pattern-guards">
562 <title>Pattern guards</title>
563
564 <para>
565 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
566 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ulink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
567 </para>
568
569 <para>
570 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
571 lookup operation:
572
573 <programlisting>
574 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
575 </programlisting>
576
577 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
578 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
579 </para>
580
581 <programlisting>
582 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
583 | otherwise  = var1 + var2
584 where
585   m1 = lookup env var1
586   m2 = lookup env var2
587   ok1 = maybeToBool m1
588   ok2 = maybeToBool m2
589   val1 = expectJust m1
590   val2 = expectJust m2
591 </programlisting>
592
593 <para>
594 The auxiliary functions are 
595 </para>
596
597 <programlisting>
598 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
599 maybeToBool (Just x) = True
600 maybeToBool Nothing  = False
601
602 expectJust :: Maybe a -&gt; a
603 expectJust (Just x) = x
604 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
605 </programlisting>
606
607 <para>
608 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
609 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
610 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
611 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
612 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
613 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
614 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
615 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
616 </para>
617
618 <para>
619 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
620 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
621 to write clunky would be to use case expressions:
622 </para>
623
624 <programlisting>
625 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
626   Nothing -&gt; fail
627   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
628     Nothing -&gt; fail
629     Just val2 -&gt; val1 + val2
630 where
631   fail = var1 + var2
632 </programlisting>
633
634 <para>
635 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
636 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
637 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
638 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
639 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
640 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
641 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
642 tends to become more and more indented. 
643 </para>
644
645 <para>
646 Here is how I would write clunky:
647 </para>
648
649 <programlisting>
650 clunky env var1 var1
651   | Just val1 &lt;- lookup env var1
652   , Just val2 &lt;- lookup env var2
653   = val1 + val2
654 ...other equations for clunky...
655 </programlisting>
656
657 <para>
658 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
659 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
660 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
661 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
662 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
663 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
664 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
665 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
666 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
667 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
668 </para>
669
670 <para>
671 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
672 with among the pattern guards.  For example:
673 </para>
674
675 <programlisting>
676 f x | [y] &lt;- x
677     , y > 3
678     , Just z &lt;- h y
679     = ...
680 </programlisting>
681
682 <para>
683 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
684 qualifier list has just one element, a boolean expression.
685 </para>
686 </sect2>
687
688     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
689
690 <sect2 id="mdo-notation">
691 <title>The recursive do-notation
692 </title>
693
694 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
695 "A recursive do for Haskell",
696 Levent Erkok, John Launchbury",
697 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
698 </para>
699 <para>
700 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
701 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
702 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
703 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
704 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
705 </para>
706 <para>
707 Here is a simple (yet contrived) example:
708 </para>
709 <programlisting>
710 import Control.Monad.Fix
711
712 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
713                return xs
714 </programlisting>
715 <para>
716 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
717 </para>
718
719 <para>
720 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
721 </para>
722 <programlisting>
723 class Monad m => MonadFix m where
724    mfix :: (a -> m a) -> m a
725 </programlisting>
726 <para>
727 The function <literal>mfix</literal>
728 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
729 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
730 For details, see the above mentioned reference.
731 </para>
732 <para>
733 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
734 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
735 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
736 </para>
737 <para>
738 There are three important points in using the recursive-do notation:
739 <itemizedlist>
740 <listitem><para>
741 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
742 than <literal>do</literal>).
743 </para></listitem>
744
745 <listitem><para>
746 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
747 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
748 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
749 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
750 </para></listitem>
751
752 <listitem><para>
753 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
754 </para></listitem>
755 </itemizedlist>
756 </para>
757
758 <para>
759 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
760 contains up to date information on recursive monadic bindings.
761 </para>
762
763 <para>
764 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
765 of the existing documents) used the name
766 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
767 This name is not supported by GHC.
768 </para>
769
770 </sect2>
771
772
773    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
774
775   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
776     <title>Parallel List Comprehensions</title>
777     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
778     </indexterm>
779     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
780     </indexterm>
781
782     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
783     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
784     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
785     extend this to include the zipWith family.</para>
786
787     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
788     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
789     example, the following zips together two lists:</para>
790
791 <programlisting>
792    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
793 </programlisting>
794
795     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
796     zip, in that the resulting list will have the same length as the
797     shortest branch.</para>
798
799     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
800     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
801
802     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
803
804 <programlisting>
805    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
806        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
807        ... 
808    ] 
809 </programlisting>
810
811     <para>This will be translated to: </para>
812
813 <programlisting>
814    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
815                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
816                                          ... 
817    ] 
818 </programlisting>
819
820     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
821     branches.</para>
822
823   </sect2>
824
825 <sect2 id="rebindable-syntax">
826 <title>Rebindable syntax</title>
827
828
829       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
830       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
831       with a home-grown version, for example.</para>
832
833             <para>You may want to define your own numeric class
834             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
835             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
836             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
837             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
838             the following pieces of built-in syntax to refer to
839             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
840             versions:
841
842             <itemizedlist>
843               <listitem>
844                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
845                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
846                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
847 </para> </listitem>         
848
849       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
850           except that the translation is 
851               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
852 </para> </listitem>         
853
854           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
855               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
856 </para> </listitem>         
857
858           <listitem><para>The subtraction operation, and the
859           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
860               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
861               </para></listitem>
862
863               <listitem>
864                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
865                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
866                 patterns, and expressions.
867               </para></listitem>
868
869               <listitem>
870           <para>"Do" notation is translated using whatever
871               functions <literal>(>>=)</literal>,
872               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
873               are in scope (not the Prelude
874               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
875               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
876
877               <listitem>
878                 <para>Arrow
879                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
880                 uses whatever <literal>arr</literal>,
881                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
882                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
883                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
884                 other constructs, the types of these functions must match the
885                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
886                 to use this, ask!
887               </para></listitem>
888             </itemizedlist>
889 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
890 even if that is a little unexpected. For emample, the 
891 static semantics of the literal <literal>368</literal>
892 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
893 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
894 <programlisting>
895 fromInteger :: Integer -> Integer
896 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
897 fromInteger :: Num a => a -> Integer
898 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
899 </programlisting>
900 </para>
901                 
902              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
903              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
904              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
905              you should be all right.</para>
906
907 </sect2>
908 </sect1>
909
910
911 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
912 <sect1 id="type-extensions">
913 <title>Type system extensions</title>
914
915
916 <sect2>
917 <title>Data types and type synonyms</title>
918
919 <sect3 id="nullary-types">
920 <title>Data types with no constructors</title>
921
922 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
923 a data type with no constructors.  For example:</para>
924
925 <programlisting>
926   data S      -- S :: *
927   data T a    -- T :: * -> *
928 </programlisting>
929
930 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
931 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
932 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
933 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
934
935 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
936 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
937 </sect3>
938
939 <sect3 id="infix-tycons">
940 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
941
942 <para>
943 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
944 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
945 <itemizedlist>
946 <listitem><para>
947   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
948   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
949   </para></listitem>
950 <listitem><para>
951   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
952   if you want further arguments.  E.g.
953 <screen>
954   data a :*: b = Foo a b
955   type a :+: b = Either a b
956   class a :=: b where ...
957
958   data (a :**: b) x = Baz a b x
959   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
960 </screen>
961   </para></listitem>
962 <listitem><para>
963   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
964   <screen>
965         x :: Int :*: Bool
966         f :: (a :=: b) => a -> b
967   </screen>
968   </para></listitem>
969 <listitem><para>
970   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
971   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
972   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
973   parenthesised.  For example:
974 <programlisting>
975    type T (+) = Int + Int
976    f :: T Either
977    f = Left 3
978  
979    liftA2 :: Arrow (~>)
980           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
981    liftA2 = ...
982 </programlisting>
983   </para></listitem>
984 <listitem><para>
985   Back-quotes work
986   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
987   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
988   </para></listitem>
989 <listitem><para>
990   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
991   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
992   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
993 <screen>
994   infixl 7 T, :*:
995 </screen>
996   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
997   and similarly for <literal>:*:</literal>.
998   <literal>Int `a` Bool</literal>.
999   </para></listitem>
1000 <listitem><para>
1001   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1002   </para></listitem>
1003
1004 </itemizedlist>
1005 </para>
1006 </sect3>
1007
1008 <sect3 id="type-synonyms">
1009 <title>Liberalised type synonyms</title>
1010
1011 <para>
1012 Type synonyms are like macros at the type level, and
1013 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1014 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1015 <itemizedlist>
1016 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1017 in a type synonym, thus:
1018 <programlisting>
1019   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1020
1021   f :: Discard a
1022   f x y = (x, show y)
1023
1024   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1025   g f = f 3 True
1026 </programlisting>
1027 </para>
1028 </listitem>
1029
1030 <listitem><para>
1031 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1032 <programlisting>
1033   type Pr = (# Int, Int #)
1034
1035   h :: Int -> Pr
1036   h x = (# x, x #)
1037 </programlisting>
1038 </para></listitem>
1039
1040 <listitem><para>
1041 You can apply a type synonym to a forall type:
1042 <programlisting>
1043   type Foo a = a -> a -> Bool
1044  
1045   f :: Foo (forall b. b->b)
1046 </programlisting>
1047 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1048 <programlisting>
1049   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1050 </programlisting>
1051 </para></listitem>
1052
1053 <listitem><para>
1054 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1055 <programlisting>
1056   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1057   type Id x = x
1058   
1059   foo :: Generic Id []
1060 </programlisting>
1061 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1062 <programlisting>
1063   foo :: forall x. x -> [x]
1064 </programlisting>
1065 </para></listitem>
1066
1067 </itemizedlist>
1068 </para>
1069
1070 <para>
1071 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1072 could be changed.)
1073 </para>
1074 <para>
1075 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1076 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1077 <itemizedlist>
1078 <listitem><para>
1079 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1080 </para></listitem>
1081 <listitem><para>
1082 Unboxed tuple on left of an arrow.
1083 </para></listitem>
1084 <listitem><para>
1085 Partially-applied type synonym.
1086 </para></listitem>
1087 </itemizedlist>
1088 So, for example,
1089 this will be rejected:
1090 <programlisting>
1091   type Pr = (# Int, Int #)
1092
1093   h :: Pr -> Int
1094   h x = ...
1095 </programlisting>
1096 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1097 </para>
1098 </sect3>
1099
1100
1101 <sect3 id="existential-quantification">
1102 <title>Existentially quantified data constructors
1103 </title>
1104
1105 <para>
1106 The idea of using existential quantification in data type declarations
1107 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1108 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1109 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1110 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1111 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1112 It's been in Lennart
1113 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1114 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1115 </para>
1116
1117 <para>
1118
1119 <programlisting>
1120   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1121            | Nil
1122 </programlisting>
1123
1124 </para>
1125
1126 <para>
1127 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1128 </para>
1129
1130 <para>
1131
1132 <programlisting>
1133   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1134   Nil   :: Foo
1135 </programlisting>
1136
1137 </para>
1138
1139 <para>
1140 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1141 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1142 For example, the following expression is fine:
1143 </para>
1144
1145 <para>
1146
1147 <programlisting>
1148   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1149 </programlisting>
1150
1151 </para>
1152
1153 <para>
1154 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1155 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1156 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1157 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1158 </para>
1159
1160 <para>
1161 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1162 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1163 </para>
1164
1165 <para>
1166
1167 <programlisting>
1168   f (MkFoo val fn) = ???
1169 </programlisting>
1170
1171 </para>
1172
1173 <para>
1174 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1175 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1176 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1177 </para>
1178
1179 <para>
1180
1181 <programlisting>
1182   f :: Foo -> Bool
1183   f (MkFoo val fn) = fn val
1184 </programlisting>
1185
1186 </para>
1187
1188 <para>
1189 What this allows us to do is to package heterogenous values
1190 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1191 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1192 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1193 </para>
1194
1195 <sect4 id="existential">
1196 <title>Why existential?
1197 </title>
1198
1199 <para>
1200 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1201 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1202 </para>
1203
1204 <para>
1205
1206 <programlisting>
1207   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1208 </programlisting>
1209
1210 </para>
1211
1212 <para>
1213 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1214 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1215 adding a new existential quantification construct.
1216 </para>
1217
1218 </sect4>
1219
1220 <sect4>
1221 <title>Type classes</title>
1222
1223 <para>
1224 An easy extension is to allow
1225 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1226 </para>
1227
1228 <para>
1229
1230 <programlisting>
1231 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1232          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1233 </programlisting>
1234
1235 </para>
1236
1237 <para>
1238 The two constructors have the types you'd expect:
1239 </para>
1240
1241 <para>
1242
1243 <programlisting>
1244 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1245 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1246 </programlisting>
1247
1248 </para>
1249
1250 <para>
1251 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1252 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1253 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1254 So this program is legal:
1255 </para>
1256
1257 <para>
1258
1259 <programlisting>
1260   f :: Baz -> String
1261   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1262                | otherwise = "No"
1263   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1264 </programlisting>
1265
1266 </para>
1267
1268 <para>
1269 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1270 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1271 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1272 extract it on pattern matching.
1273 </para>
1274
1275 <para>
1276 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1277 universal quantification earlier.
1278 </para>
1279
1280 </sect4>
1281
1282 <sect4>
1283 <title>Record Constructors</title>
1284
1285 <para>
1286 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1287
1288 <programlisting>
1289 data Counter a = forall self. NewCounter
1290     { _this    :: self
1291     , _inc     :: self -> self
1292     , _display :: self -> IO ()
1293     , tag      :: a
1294     }
1295 </programlisting>
1296 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1297 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1298 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1299 <literal>_inc</literal> or <literal>_output</literal> as functions will raise a
1300 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1301 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1302 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1303 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1304 </para>
1305
1306 <para>
1307 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1308
1309 <programlisting>
1310 inc :: Counter a -> Counter a
1311 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1312     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1313
1314 display :: Counter a -> IO ()
1315 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1316 </programlisting>
1317
1318 Now we can define counters with different underlying implementations:
1319
1320 <programlisting>
1321 counterA :: Counter String 
1322 counterA = NewCounter
1323     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1324
1325 counterB :: Counter String 
1326 counterB = NewCounter
1327     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1328
1329 main = do
1330     display (inc counterA)         -- prints "1"
1331     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1332 </programlisting>
1333
1334 In GADT declarations (see <xref linkend="gadt"/>), the explicit
1335 <literal>forall</literal> may be omitted.  For example, we can express
1336 the same <literal>Counter a</literal> using GADT:
1337
1338 <programlisting>
1339 data Counter a where
1340     NewCounter { _this    :: self
1341                , _inc     :: self -> self
1342                , _display :: self -> IO ()
1343                , tag      :: a
1344                }
1345         :: Counter a
1346 </programlisting>
1347
1348 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1349 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1350
1351 <programlisting>
1352 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1353 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1354 setTag obj t = obj{ tag = t }
1355 </programlisting>
1356
1357 </para>
1358
1359 </sect4>
1360
1361
1362 <sect4>
1363 <title>Restrictions</title>
1364
1365 <para>
1366 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1367 constructors can be use.
1368 </para>
1369
1370 <para>
1371
1372 <itemizedlist>
1373 <listitem>
1374
1375 <para>
1376  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1377 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1378 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1379 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1380
1381
1382 <programlisting>
1383 f1 (MkFoo a f) = a
1384 </programlisting>
1385
1386
1387 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1388 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1389 ask what type <function>f1</function> has:
1390
1391
1392 <programlisting>
1393   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1394 </programlisting>
1395
1396
1397 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1398 this:
1399
1400
1401 <programlisting>
1402   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1403 </programlisting>
1404
1405
1406 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1407
1408
1409 <programlisting>
1410   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1411 </programlisting>
1412
1413
1414 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1415 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1416 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1417
1418
1419 </para>
1420 </listitem>
1421 <listitem>
1422
1423 <para>
1424 You can't pattern-match on an existentially quantified
1425 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1426 bindings. So this is illegal:
1427
1428
1429 <programlisting>
1430   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1431 </programlisting>
1432
1433 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1434
1435 <programlisting>
1436   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1437 </programlisting>
1438
1439 In general, you can only pattern-match
1440 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1441 in the patterns of a function definition.
1442
1443 The reason for this restriction is really an implementation one.
1444 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1445 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1446 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1447 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1448 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1449 annoying it is.
1450
1451 </para>
1452 </listitem>
1453 <listitem>
1454
1455 <para>
1456 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1457 declarations.  So this is illegal:
1458
1459
1460 <programlisting>
1461   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1462 </programlisting>
1463
1464
1465 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1466 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1467 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1468 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1469 You can get just the same efficiency and effect by using
1470 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1471 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1472 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1473 because the <literal>data</literal> version does carry an
1474 implementation cost, but single-field existentially quantified
1475 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1476 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1477 are convincing reasons to change it.
1478
1479
1480 </para>
1481 </listitem>
1482 <listitem>
1483
1484 <para>
1485  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1486 data type with existentially quantified data constructors.
1487
1488 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1489
1490 <programlisting>
1491 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1492 </programlisting>
1493
1494 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1495 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1496
1497 <programlisting>
1498 instance Eq T where
1499   (MkT a) == (MkT b) = ???
1500 </programlisting>
1501
1502 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1503 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1504 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1505 declarations.  Define your own instances!
1506 </para>
1507 </listitem>
1508
1509 </itemizedlist>
1510
1511 </para>
1512
1513 </sect4>
1514 </sect3>
1515
1516 </sect2>
1517
1518
1519
1520 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1521 <title>Class declarations</title>
1522
1523 <para>
1524 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
1525 There's lots of background in the paper <ulink
1526 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1527 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1528 Jones, Erik Meijer).
1529 </para>
1530 <para>
1531 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
1532 </para>
1533
1534 <sect3>
1535 <title>Multi-parameter type classes</title>
1536 <para>
1537 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
1538
1539
1540 <programlisting>
1541   class Collection c a where
1542     union :: c a -> c a -> c a
1543     ...etc.
1544 </programlisting>
1545
1546 </para>
1547 </sect3>
1548
1549 <sect3>
1550 <title>The superclasses of a class declaration</title>
1551
1552 <para>
1553 There are no restrictions on the context in a class declaration
1554 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1555 be acyclic.  So these class declarations are OK:
1556
1557
1558 <programlisting>
1559   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1560     ...
1561
1562   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1563     lift :: m a -> (t m) a
1564 </programlisting>
1565
1566
1567 </para>
1568 <para>
1569 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
1570 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1571 this is OK:
1572
1573
1574 <programlisting>
1575   class C a where {
1576     op :: D b => a -> b -> b
1577   }
1578
1579   class C a => D a where { ... }
1580 </programlisting>
1581
1582
1583 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1584 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1585 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1586 </para>
1587 </sect3>
1588
1589
1590
1591
1592 <sect3 id="class-method-types">
1593 <title>Class method types</title>
1594
1595 <para>
1596 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1597 class type variable, thus:
1598 <programlisting>
1599   class Seq s a where
1600     fromList :: [a] -> s a
1601     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1602 </programlisting>
1603 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1604 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1605 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1606 GHC lifts this restriction.
1607 </para>
1608
1609
1610 </sect3>
1611 </sect2>
1612
1613 <sect2 id="functional-dependencies">
1614 <title>Functional dependencies
1615 </title>
1616
1617 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1618 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1619 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1620 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1621 .
1622 </para>
1623 <para>
1624 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1625 class declaration;  e.g. 
1626 <programlisting>
1627   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1628
1629   class Foo a b c | a b -> c where ...
1630 </programlisting>
1631 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1632 </para>
1633
1634 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
1635 <para>
1636 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
1637 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1638 from the free variables of each method type.
1639 For example:
1640
1641 <programlisting>
1642   class Coll s a where
1643     empty  :: s
1644     insert :: s -> a -> s
1645 </programlisting>
1646
1647 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1648 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
1649 reachable:
1650 <programlisting>
1651   class Coll s a | s -> a where
1652     empty  :: s
1653     insert :: s -> a -> s
1654 </programlisting>
1655
1656 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
1657
1658 <programlisting>
1659   class Coll s a where
1660     empty  :: s a
1661     insert :: s a -> a -> s a
1662 </programlisting>
1663
1664
1665 which makes the connection between the type of a collection of
1666 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1667 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1668 class like this:
1669
1670
1671 <programlisting>
1672   class CollE s where
1673     empty  :: s
1674
1675   class CollE s => Coll s a where
1676     insert :: s -> a -> s
1677 </programlisting>
1678 </para>
1679 </sect3>
1680
1681
1682 <sect3>
1683 <title>Background on functional dependencies</title>
1684
1685 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
1686 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
1687 permission of Mark Jones.
1688 </para>
1689 <para> 
1690 Consider the following class, intended as part of a
1691 library for collection types:
1692 <programlisting>
1693    class Collects e ce where
1694        empty  :: ce
1695        insert :: e -> ce -> ce
1696        member :: e -> ce -> Bool
1697 </programlisting>
1698 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
1699 of the container itself. Within this framework, we might want to define
1700 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
1701 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
1702 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
1703 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
1704 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
1705 <programlisting>
1706    instance Eq e => Collects e [e] where ...
1707    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
1708    instance Collects Char BitSet where ...
1709    instance (Hashable e, Collects a ce)
1710               => Collects e (Array Int ce) where ...
1711 </programlisting>
1712 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
1713 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
1714 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
1715 <programlisting>
1716    empty :: Collects e ce => ce
1717 </programlisting>
1718 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
1719 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
1720 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
1721 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
1722 type.
1723 </para>
1724 <para>
1725 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
1726 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
1727 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
1728 them. For example, consider the following two functions: 
1729 <programlisting>
1730    f x y = insert x . insert y
1731    g     = f True 'a'
1732 </programlisting>
1733 for which GHC infers the following types: 
1734 <programlisting>
1735    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1736    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
1737 </programlisting>
1738 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
1739 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
1740 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
1741 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
1742 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
1743 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
1744 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
1745 might even be in a different module.
1746 </para>
1747
1748 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
1749
1750 <para>
1751 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
1752 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
1753 <programlisting>
1754    class Collects e c where
1755       empty  :: c e
1756       insert :: e -> c e -> c e
1757       member :: e -> c e -> Bool
1758 </programlisting>
1759 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
1760 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
1761 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
1762 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
1763 e</literal>, which is not ambiguous. 
1764 </para>
1765 <para>
1766 The function f from the previous section has a more accurate type: 
1767 <programlisting>
1768    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
1769 </programlisting>
1770 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
1771 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
1772 different types. 
1773 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
1774 quite well in practice, without ambiguity problems.
1775 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
1776 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
1777 for <literal>Collects</literal>
1778 given above can be used with this version of Collects because only one of
1779 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
1780 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
1781 </para>
1782 </sect4>
1783
1784 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
1785
1786 <para>
1787 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
1788 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
1789 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
1790 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
1791 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
1792 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
1793 later framework for "improvement" of qualified types. The
1794 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
1795 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
1796 general design space for systems of implicit parameterization.).
1797
1798 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
1799 <programlisting>
1800    class C a b where ...
1801 </programlisting>
1802 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
1803 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
1804 included in the definition of classes to add information about dependencies
1805 between parameters, as in the following examples: 
1806 <programlisting>
1807    class D a b | a -> b where ...
1808    class E a b | a -> b, b -> a where ...
1809 </programlisting>
1810 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
1811 symbols --- not to be
1812 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
1813 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
1814 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
1815 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
1816 represents a (partial) one-one mapping between types.
1817 </para>
1818 <para>
1819 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
1820 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
1821 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
1822 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
1823 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
1824 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
1825 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
1826 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
1827 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
1828 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
1829 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
1830 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
1831 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
1832 <literal>a-&gt;b</literal>, 
1833  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
1834 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
1835 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
1836 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
1837 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
1838 unchanged.
1839 </para>
1840 <para>
1841 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
1842 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
1843 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
1844 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
1845 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
1846 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
1847 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
1848 <programlisting>
1849    instance D Bool Int where ...
1850    instance D Bool Char where ...
1851 </programlisting>
1852 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
1853 <programlisting>
1854    instance D [a] b where ...
1855 </programlisting>
1856 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
1857 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
1858 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
1859 in any instance of the form: 
1860 <programlisting>
1861    instance D t s where ...
1862 </programlisting>
1863 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
1864 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
1865 uniquely determined.
1866 </para>
1867 <para>
1868 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
1869 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
1870 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
1871 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
1872 with a simple dependency: 
1873 <programlisting>
1874    class Collects e ce | ce -> e where
1875       empty  :: ce
1876       insert :: e -> ce -> ce
1877       member :: e -> ce -> Bool
1878 </programlisting>
1879 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
1880 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
1881 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
1882 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
1883 together with this new definition.
1884 </para>
1885 <para>
1886 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
1887 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
1888 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
1889 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
1890 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
1891 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
1892 give enough information to determine types for both ce and e, without
1893 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
1894 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
1895 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
1896 </para>
1897 <para>
1898 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
1899 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
1900 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
1901 function f: 
1902 <programlisting>
1903    f x y = insert x y = insert x . insert y
1904 </programlisting>
1905 for which we originally obtained a type: 
1906 <programlisting>
1907    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1908 </programlisting>
1909 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
1910 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
1911 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
1912 can infer a shorter and more accurate type for f: 
1913 <programlisting>
1914    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
1915 </programlisting>
1916 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
1917 </para>
1918 <para>
1919 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
1920 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
1921 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
1922 sets of instance declarations.
1923 </para>
1924 </sect4>
1925 </sect3>
1926 </sect2>
1927
1928 <sect2 id="instance-decls">
1929 <title>Instance declarations</title>
1930
1931 <sect3 id="instance-rules">
1932 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
1933
1934 <para>An instance declaration has the form
1935 <screen>
1936   instance ( <replaceable>assertion</replaceable><subscript>1</subscript>, ..., <replaceable>assertion</replaceable><subscript>n</subscript>) =&gt; <replaceable>class</replaceable> <replaceable>type</replaceable><subscript>1</subscript> ... <replaceable>type</replaceable><subscript>m</subscript> where ...
1937 </screen>
1938 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
1939 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
1940 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
1941 </para>
1942
1943 <para>
1944 In Haskell 98 the head of an instance declaration
1945 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
1946 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
1947 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
1948 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration
1949 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
1950 is a type variable that occurs in the head.
1951 </para>
1952 <para>
1953 The <option>-fglasgow-exts</option> flag loosens these restrictions
1954 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
1955 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
1956 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
1957 following rules:
1958 <orderedlist>
1959 <listitem><para>
1960 For each assertion in the context:
1961 <orderedlist>
1962 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
1963 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
1964       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
1965 </orderedlist>
1966 </para></listitem>
1967
1968 <listitem><para>The coverage condition.  For each functional dependency,
1969 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
1970 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
1971 every type variable in
1972 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
1973 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
1974 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
1975 corresponding type in the instance declaration.
1976 </para></listitem>
1977 </orderedlist>
1978 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
1979 step makes the problem smaller by at least one
1980 constructor.  For example, the following would make the type checker
1981 loop if it wasn't excluded:
1982 <programlisting>
1983   instance C a => C a where ...
1984 </programlisting>
1985 For example, these are OK:
1986 <programlisting>
1987   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
1988   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
1989
1990       -- Repeated type variable in head
1991   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
1992   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
1993
1994       -- Head can consist of type variables only
1995   instance C a
1996   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
1997
1998       -- Non-type variables in context
1999   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
2000   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
2001   instance C2 Int a => C3 [a] b
2002 </programlisting>
2003 But these are not:
2004 <programlisting>
2005       -- Context assertion no smaller than head
2006   instance C a => C a where ...
2007       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
2008   instance C b b => Foo [b] where ...
2009 </programlisting>
2010 </para>
2011
2012 <para>
2013 The same restrictions apply to instances generated by
2014 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
2015 <programlisting>
2016   data MinHeap h a = H a (h a)
2017     deriving (Show)
2018 </programlisting>
2019 because the derived instance
2020 <programlisting>
2021   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
2022 </programlisting>
2023 conforms to the above rules.
2024 </para>
2025
2026 <para>
2027 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
2028 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
2029 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
2030 something more specific does not:
2031 <programlisting>
2032   instance C a where
2033     op = ... -- Default
2034 </programlisting>
2035 </para>
2036 <para>You can find lots of background material about the reason for these
2037 restrictions in the paper <ulink
2038 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
2039 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
2040 </para>
2041 </sect3>
2042
2043 <sect3 id="undecidable-instances">
2044 <title>Undecidable instances</title>
2045
2046 <para>
2047 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
2048 For example, sometimes you might want to use the following to get the
2049 effect of a "class synonym":
2050 <programlisting>
2051   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2052
2053   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2054 </programlisting>
2055 This allows you to write shorter signatures:
2056 <programlisting>
2057   f :: C a => ...
2058 </programlisting>
2059 instead of
2060 <programlisting>
2061   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
2062 </programlisting>
2063 The restrictions on functional dependencies (<xref
2064 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
2065 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
2066 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
2067 <programlisting>
2068   class HasConverter a b | a -> b where
2069      convert :: a -> b
2070    
2071   data Foo a = MkFoo a
2072
2073   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
2074      show (MkFoo value) = show (convert value)
2075 </programlisting>
2076 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
2077 typechecker loop:
2078 <programlisting>
2079   class D a
2080   class F a b | a->b
2081   instance F [a] [[a]]
2082   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
2083 </programlisting>  
2084 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
2085 <programlisting>
2086   class Mul a b c | a b -> c where
2087         (.*.) :: a -> b -> c
2088
2089   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
2090   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
2091   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
2092 </programlisting>
2093 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
2094 and indeed the (somewhat strange) definition:
2095 <programlisting>
2096   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
2097 </programlisting>
2098 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
2099 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
2100 </para>
2101 <para>
2102 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
2103 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
2104 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
2105 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
2106 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
2107 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
2108 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
2109 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
2110 </para>
2111
2112 </sect3>
2113
2114
2115 <sect3 id="instance-overlap">
2116 <title>Overlapping instances</title>
2117 <para>
2118 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
2119 declaration
2120 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
2121 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
2122 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
2123 </primary></indexterm> 
2124 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
2125 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
2126 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
2127 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
2128 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
2129 <para>
2130 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
2131 it tries to match every instance declaration against the
2132 constraint,
2133 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
2134 these declarations:
2135 <programlisting>
2136   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
2137   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
2138   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
2139   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
2140 </programlisting>
2141 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
2142 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
2143 no account of the context of the instance declaration
2144 (<literal>context1</literal> etc).
2145 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
2146 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
2147 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
2148 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
2149 particular constraint matches more than one.
2150 </para>
2151
2152 <para>
2153 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
2154 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
2155 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
2156 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
2157 most-specific match, the program is rejected.
2158 </para>
2159 <para>
2160 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
2161 <programlisting>
2162   f :: [b] -> [b]
2163   f x = ...
2164 </programlisting>
2165 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
2166 <literal>C Int [b]</literal>.  But
2167 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
2168 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
2169 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
2170 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
2171 GHC will instead pick (C), without complaining about 
2172 the problem of subsequent instantiations.
2173 </para>
2174 <para>
2175 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
2176 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
2177 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
2178 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
2179 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
2180 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
2181 <itemizedlist>
2182 <listitem><para>
2183 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
2184 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
2185 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
2186 more-specific instance does not matter.
2187 </para></listitem>
2188 <listitem><para>
2189 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
2190 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
2191 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
2192 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
2193 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
2194 check for that declaration.
2195 </para></listitem>
2196 </itemizedlist>
2197 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
2198 overlapping instances without the library client having to know.  
2199 </para>
2200 <para>
2201 If an instance declaration is compiled without
2202 <option>-fallow-overlapping-instances</option>,
2203 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
2204 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
2205 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
2206 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
2207 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
2208 are compiled, if the <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag is
2209 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
2210 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
2211 </para>
2212 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
2213 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
2214 </para>
2215 </sect3>
2216
2217 <sect3>
2218 <title>Type synonyms in the instance head</title>
2219
2220 <para>
2221 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
2222 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
2223 As always, using a type synonym is just shorthand for
2224 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
2225
2226
2227 <programlisting>
2228   type Point = (Int,Int)
2229   instance C Point   where ...
2230   instance C [Point] where ...
2231 </programlisting>
2232
2233
2234 is legal.  However, if you added
2235
2236
2237 <programlisting>
2238   instance C (Int,Int) where ...
2239 </programlisting>
2240
2241
2242 as well, then the compiler will complain about the overlapping
2243 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
2244 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
2245
2246
2247 <programlisting>
2248   type P a = [[a]]
2249   instance Monad P where ...
2250 </programlisting>
2251
2252
2253 This design decision is independent of all the others, and easily
2254 reversed, but it makes sense to me.
2255
2256 </para>
2257 </sect3>
2258
2259
2260 </sect2>
2261
2262 <sect2 id="type-restrictions">
2263 <title>Type signatures</title>
2264
2265 <sect3><title>The context of a type signature</title>
2266 <para>
2267 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
2268 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
2269 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
2270 these type signatures are perfectly OK
2271 <programlisting>
2272   g :: Eq [a] => ...
2273   g :: Ord (T a ()) => ...
2274 </programlisting>
2275 </para>
2276 <para>
2277 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
2278 Consider the type:
2279
2280 <programlisting>
2281   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
2282 </programlisting>
2283
2284 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
2285 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
2286 explicit source-language type signature are universally quantified,
2287 except for the class type variables in a class declaration.  However,
2288 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
2289 </para>
2290
2291 <para>
2292
2293 <orderedlist>
2294 <listitem>
2295
2296 <para>
2297  <emphasis>Each universally quantified type variable
2298 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
2299
2300 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
2301 in the same constraint as either a type variable free in in
2302 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
2303 A value with a type that does not obey 
2304 this reachability restriction cannot be used without introducing
2305 ambiguity; that is why the type is rejected.
2306 Here, for example, is an illegal type:
2307
2308
2309 <programlisting>
2310   forall a. Eq a => Int
2311 </programlisting>
2312
2313
2314 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
2315 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
2316 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
2317 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
2318 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
2319 get any more information about <literal>tv</literal>.
2320 </para>
2321 <para>
2322 Note
2323 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
2324 functionally dependent on a type variable free in
2325 <literal>type</literal> (see <xref
2326 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
2327 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
2328 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
2329 For example, consider:
2330 <programlisting>
2331   class C a b | a -> b where ...
2332   class C a b => D a b where ...
2333   f :: forall a b. D a b => a -> a
2334 </programlisting>
2335 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2336 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2337 </para>
2338 </listitem>
2339 <listitem>
2340
2341 <para>
2342  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2343 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2344
2345 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2346 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2347
2348
2349 <programlisting>
2350   forall a. C a b => burble
2351 </programlisting>
2352
2353
2354 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2355 mention <literal>a</literal>:
2356
2357
2358 <programlisting>
2359   forall a. Eq b => burble
2360 </programlisting>
2361
2362
2363 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2364 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2365 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2366 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2367 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2368 territory free in case we need it later.
2369
2370 </para>
2371 </listitem>
2372
2373 </orderedlist>
2374
2375 </para>
2376 </sect3>
2377
2378 <sect3 id="hoist">
2379 <title>For-all hoisting</title>
2380 <para>
2381 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
2382 end of an arrow, thus:
2383 <programlisting>
2384   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2385
2386   g :: Int -> Discard Int
2387   g x y z = x+y
2388 </programlisting>
2389 Simply expanding the type synonym would give
2390 <programlisting>
2391   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2392 </programlisting>
2393 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2394 <programlisting>
2395   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2396 </programlisting>
2397 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2398 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2399 performs the transformation:</emphasis>
2400 <programlisting>
2401   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2402 ==>
2403   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2404 </programlisting>
2405 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2406 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2407 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2408 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2409 <programlisting>
2410   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2411 </programlisting>
2412 </para>
2413 <para>
2414 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2415 example:
2416 <programlisting>
2417   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2418   g :: Foo (Foo Int)
2419 </programlisting>
2420 means
2421 <programlisting>
2422   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2423 </programlisting>
2424 </para>
2425 </sect3>
2426
2427
2428 </sect2>
2429
2430 <sect2 id="implicit-parameters">
2431 <title>Implicit parameters</title>
2432
2433 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2434 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2435 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2436 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2437 Boston, Jan 2000.
2438 </para>
2439
2440 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2441 due to Jeff Lewis.)</para>
2442
2443 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2444 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2445
2446 <para>
2447 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2448 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2449 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2450 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2451 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2452 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2453 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2454 only support static scoping of variables.
2455 </para>
2456 <para>
2457 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2458 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2459 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2460 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2461 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2462 of type <literal>t'</literal>". For
2463 example, the following expresses the type of a sort function,
2464 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2465 <programlisting>
2466   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2467 </programlisting>
2468 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2469 </para>
2470 <para>
2471 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2472 where <literal>x</literal> is
2473 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2474 Use of this construct also introduces a new
2475 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2476 For example, the following definition
2477 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2478 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2479 <programlisting>
2480   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2481
2482   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2483   sort    = sortBy ?cmp
2484 </programlisting>
2485 </para>
2486
2487 <sect3>
2488 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2489 <para>
2490 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2491 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2492 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2493 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2494 to pick out the least value in a list:
2495 <programlisting>
2496   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2497   least xs = head (sort xs)
2498 </programlisting>
2499 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2500 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2501 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2502 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2503 propagate them.
2504 </para>
2505 <para>
2506 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2507 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2508 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2509 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2510 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2511 class constraints.
2512 </para>
2513
2514 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2515 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2516 <programlisting>
2517   class (?x::Int) => C a where ...
2518   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2519 </programlisting>
2520 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2521 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2522 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2523 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2524 <para>
2525 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2526 <programlisting>
2527    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2528    f n = n + length ?x
2529
2530    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2531    g s = show (read s)
2532 </programlisting>
2533 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2534 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2535 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2536 </para>
2537 </sect3>
2538
2539 <sect3>
2540 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2541
2542 <para>
2543 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2544 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2545 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2546 <literal>cmp</literal>.
2547 <programlisting>
2548   min :: [a] -> a
2549   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2550 </programlisting>
2551 </para>
2552 <para>
2553 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2554 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2555 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2556 or a <literal>where</literal> clause.
2557 Note the following points:
2558 <itemizedlist>
2559 <listitem><para>
2560 An implicit-parameter binding group must be a
2561 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2562 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2563 neither polymorphic or recursive.  
2564 </para></listitem>
2565 <listitem><para>
2566 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2567 single <literal>let</literal>
2568 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2569 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2570 </para></listitem>
2571
2572 <listitem><para>
2573 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2574 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2575 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2576 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2577 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2578 the meaning of the program.
2579 For example, consider:
2580 <programlisting>
2581   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2582 </programlisting>
2583 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2584 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2585 <programlisting>
2586   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2587 </programlisting>
2588 </para></listitem>
2589 </itemizedlist>
2590 </para>
2591
2592 </sect3>
2593
2594 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2595
2596 <para>
2597 Consider these two definitions:
2598 <programlisting>
2599   len1 :: [a] -> Int
2600   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2601
2602   len_acc1 [] = ?acc
2603   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2604
2605   ------------
2606
2607   len2 :: [a] -> Int
2608   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2609
2610   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2611   len_acc2 [] = ?acc
2612   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2613 </programlisting>
2614 The only difference between the two groups is that in the second group
2615 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2616 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2617 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2618 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2619 has a type signature, the recursive call is made to the
2620 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2621 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2622 <programlisting>
2623   Prog> len1 "hello"
2624   0
2625   Prog> len2 "hello"
2626   5
2627 </programlisting>
2628 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2629 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2630 </para>
2631 </sect3>
2632
2633 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2634
2635 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2636 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2637 <programlisting>
2638  f :: Int -> Int
2639   f v = let ?x = 0     in
2640         let y = ?x + v in
2641         let ?x = 5     in
2642         y
2643 </programlisting>
2644 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2645 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2646 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2647 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2648 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2649 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2650 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2651 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2652 <literal>14</literal>.
2653 </para>
2654 </sect3>
2655 </sect2>
2656
2657     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
2658
2659     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
2660     them from the 6.6 user manual
2661
2662 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2663 <title>Linear implicit parameters</title>
2664 <para>
2665 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2666 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2667 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2668 </para>
2669 <itemizedlist>
2670 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2671 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2672 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2673 </itemizedlist>
2674
2675 <para>
2676 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2677 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
2678 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2679 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2680 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2681 </para>
2682 <para>
2683 For example:
2684 <programlisting>
2685     import GHC.Exts( Splittable )
2686
2687     data NameSupply = ...
2688     
2689     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2690     newName :: NameSupply -> Name
2691
2692     instance Splittable NameSupply where
2693         split = splitNS
2694
2695
2696     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2697     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2698                     where
2699                       x'   = newName %ns
2700                       env' = extend env x x'
2701     ...more equations for f...
2702 </programlisting>
2703 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2704 <itemizedlist>
2705 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2706 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2707 </itemizedlist>
2708 </para>
2709 <para>
2710 So the translation done by the type checker makes
2711 the parameter explicit:
2712 <programlisting>
2713     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2714     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2715                        where
2716                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2717                          x' = newName ns2
2718                          env = extend env x x'
2719 </programlisting>
2720 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2721 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2722 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2723 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2724 <programlisting>
2725         class Splittable a where
2726           split :: a -> (a,a)
2727 </programlisting>
2728 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2729 split for name supplies.  But we can simply write
2730 <programlisting>
2731         g x = (x, %ns, %ns)
2732 </programlisting>
2733 and GHC will infer
2734 <programlisting>
2735         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2736 </programlisting>
2737 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2738 <literal>GHC.Exts</literal>.
2739 </para>
2740 <para>
2741 Other points:
2742 <itemizedlist>
2743 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2744 are entirely distinct implicit parameters: you 
2745   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2746 </listitem>
2747
2748 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2749
2750 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2751   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2752 </itemizedlist>
2753 </para>
2754
2755 <sect3><title>Warnings</title>
2756
2757 <para>
2758 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2759 Consider the example above:
2760 <programlisting>
2761     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2762     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2763                     where
2764                       x'   = newName %ns
2765                       env' = extend env x x'
2766 </programlisting>
2767 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2768 usually a harmless thing to do, we get:
2769 <programlisting>
2770     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2771     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2772                     where
2773                       env' = extend env x (newName %ns)
2774 </programlisting>
2775 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2776 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2777 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2778 the beta rule.
2779 </para>
2780 <para>
2781 Well, this is an experimental change.  With implicit
2782 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2783 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2784 Haskell programs without knowing their typing.
2785 </para>
2786
2787 </sect3>
2788
2789 <sect3><title>Recursive functions</title>
2790 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2791 Consider
2792 <programlisting>
2793         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2794         foo 0 = []
2795         foo n = %x : foo (n-1)
2796 </programlisting>
2797 where T is some type in class Splittable.</para>
2798 <para>
2799 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2800 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2801 </para><para>
2802 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2803 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2804 translated term, where the implicit param is made explicit:
2805 <programlisting>
2806         foo x 0 = []
2807         foo x n = let (x1,x2) = split x
2808                   in x1 : foo x2 (n-1)
2809 </programlisting>
2810 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2811 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2812 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2813 work.  So the translation becomes
2814 <programlisting>
2815         foo x = let
2816                   foom 0 = []
2817                   foom n = x : foom (n-1)
2818                 in
2819                 foom
2820 </programlisting>
2821 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2822 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2823 Yikes!
2824 </para><para>
2825 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2826 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2827 </para>
2828 </sect3>
2829
2830 </sect2>
2831
2832 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
2833
2834 <sect2 id="sec-kinding">
2835 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2836
2837 <para>
2838 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2839 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2840 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2841 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2842 John Hughes had to define the data type:
2843 <screen>
2844      data Set cxt a = Set [a]
2845                     | Unused (cxt a -> ())
2846 </screen>
2847 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2848 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2849 </para>
2850 <para>
2851 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2852 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2853 <itemizedlist>
2854 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2855 <screen>
2856   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2857 </screen></para></listitem>
2858 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2859 <screen>
2860   type T (f :: * -> *) = f Int
2861 </screen></para></listitem>
2862 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2863 <screen>
2864   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2865 </screen></para></listitem>
2866 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2867 <screen>
2868   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2869 </screen></para></listitem>
2870 </itemizedlist>
2871 </para>
2872
2873 <para>
2874 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2875 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2876 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2877 single lexeme in Haskell.
2878 </para>
2879
2880 <para>
2881 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2882 as well.  Thus:
2883 <screen>
2884    f :: (Int :: *) -> Int
2885    g :: forall a. a -> (a :: *)
2886 </screen>
2887 The syntax is
2888 <screen>
2889    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2890 </screen>
2891 The parentheses are required.
2892 </para>
2893 </sect2>
2894
2895
2896 <sect2 id="universal-quantification">
2897 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2898 </title>
2899
2900 <para>
2901 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2902 allows us to say exactly what this means.  For example:
2903 </para>
2904 <para>
2905 <programlisting>
2906         g :: b -> b
2907 </programlisting>
2908 means this:
2909 <programlisting>
2910         g :: forall b. (b -> b)
2911 </programlisting>
2912 The two are treated identically.
2913 </para>
2914
2915 <para>
2916 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2917 explicit universal quantification in
2918 types. 
2919 For example, all the following types are legal:
2920 <programlisting>
2921     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2922     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2923
2924     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2925     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2926
2927     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2928 </programlisting>
2929 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2930 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2931 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2932 is implicitly added by Haskell.
2933 </para>
2934 <para>
2935 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2936 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2937 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2938 </para>
2939 <para>
2940 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2941 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2942 </para>
2943 <para>
2944 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2945 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2946 that restriction has now been lifted.)
2947 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2948 including an operational type class context, is legal:
2949 <itemizedlist>
2950 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2951 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2952 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2953 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2954 field type signatures.</para> </listitem>
2955 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2956 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2957 </itemizedlist>
2958 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2959 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2960 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2961 <programlisting>
2962     x1 :: [forall a. a->a]
2963     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2964     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2965 </programlisting>
2966 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2967 a type variable any more!
2968 </para>
2969
2970
2971 <sect3 id="univ">
2972 <title>Examples
2973 </title>
2974
2975 <para>
2976 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2977 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2978 </para>
2979
2980 <para>
2981
2982 <programlisting>
2983 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2984
2985 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2986                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2987                         }
2988
2989 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2990 </programlisting>
2991
2992 </para>
2993
2994 <para>
2995 The constructors have rank-2 types:
2996 </para>
2997
2998 <para>
2999
3000 <programlisting>
3001 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
3002 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
3003                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
3004                   -> MonadT m
3005 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
3006 </programlisting>
3007
3008 </para>
3009
3010 <para>
3011 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
3012 explicit context.  For example in the first argument of the
3013 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
3014 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
3015 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
3016 mentioned in the type quantified over.
3017 </para>
3018
3019 <para>
3020 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
3021 types too.  So if you write this:
3022
3023 <programlisting>
3024   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
3025 </programlisting>
3026
3027 it's just as if you had written this:
3028
3029 <programlisting>
3030   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
3031 </programlisting>
3032
3033 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
3034 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
3035 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
3036 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
3037 </para>
3038
3039 <para>
3040 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
3041 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
3042 </para>
3043
3044 <para>
3045
3046 <programlisting>
3047     a1 :: T Int
3048     a1 = T1 (\xy->x) 3
3049     
3050     a2, a3 :: Swizzle
3051     a2 = MkSwizzle sort
3052     a3 = MkSwizzle reverse
3053     
3054     a4 :: MonadT Maybe
3055     a4 = let r x = Just x
3056              b m k = case m of
3057                        Just y -> k y
3058                        Nothing -> Nothing
3059          in
3060          MkMonad r b
3061
3062     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
3063     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
3064 </programlisting>
3065
3066 </para>
3067
3068 <para>
3069 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
3070 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
3071 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
3072 </para>
3073
3074 <para>
3075 When you use pattern matching, the bound variables may now have
3076 polymorphic types.  For example:
3077 </para>
3078
3079 <para>
3080
3081 <programlisting>
3082     f :: T a -> a -> (a, Char)
3083     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3084
3085     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
3086     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
3087
3088     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
3089     h m [] = return m []
3090     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
3091                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
3092                  return m (y:ys)
3093 </programlisting>
3094
3095 </para>
3096
3097 <para>
3098 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
3099 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
3100 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
3101 matching.
3102 </para>
3103 </sect3>
3104
3105 <sect3>
3106 <title>Type inference</title>
3107
3108 <para>
3109 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
3110 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
3111 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
3112 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
3113 </para>
3114 <para>
3115 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
3116 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
3117 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
3118 </para>
3119 <para>
3120 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
3121 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
3122 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
3123 <programlisting>
3124      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
3125 </programlisting>
3126 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
3127 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
3128 <programlisting>
3129      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3130 </programlisting>
3131 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
3132 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
3133 one can give a type signature for the function itself:
3134 <programlisting>
3135      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3136      h f = (f True, f 'c')
3137 </programlisting>
3138 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
3139 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
3140 <programlisting>
3141     f :: T a -> a -> (a, Char)
3142     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3143 </programlisting>
3144 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
3145 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
3146 it needs to know.
3147 </para>
3148
3149 </sect3>
3150
3151
3152 <sect3 id="implicit-quant">
3153 <title>Implicit quantification</title>
3154
3155 <para>
3156 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
3157 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
3158 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
3159 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
3160 equivalent:
3161 <programlisting>
3162   f :: a -> a
3163   f :: forall a. a -> a
3164
3165   g (x::a) = let
3166                 h :: a -> b -> b
3167                 h x y = y
3168              in ...
3169   g (x::a) = let
3170                 h :: forall b. a -> b -> b
3171                 h x y = y
3172              in ...
3173 </programlisting>
3174 </para>
3175 <para>
3176 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
3177 point.  For example:
3178 <programlisting>
3179   f :: (a -> a) -> Int
3180            -- MEANS
3181   f :: forall a. (a -> a) -> Int
3182            -- NOT
3183   f :: (forall a. a -> a) -> Int
3184
3185
3186   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
3187            -- MEANS the illegal type
3188   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
3189            -- NOT
3190   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
3191 </programlisting>
3192 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
3193 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
3194 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
3195 for rank-2 types.
3196 </para>
3197 </sect3>
3198 </sect2>
3199
3200
3201
3202
3203 <sect2 id="scoped-type-variables">
3204 <title>Scoped type variables
3205 </title>
3206
3207 <para>
3208 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
3209 <itemizedlist>
3210 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
3211 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
3212 <listitem><para>A result type signature (<xref linkend="result-type-sigs"/>)</para></listitem>
3213 </itemizedlist>
3214 For example:
3215 <programlisting>
3216 f (xs::[a]) = ys ++ ys
3217            where
3218               ys :: [a]
3219               ys = reverse xs
3220 </programlisting>
3221 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
3222 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
3223 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
3224 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
3225 </para>
3226
3227 <para>
3228 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
3229 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
3230 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
3231 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
3232 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
3233 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
3234 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
3235 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
3236 it becomes possible to do so.
3237 </para>
3238
3239 <para>
3240 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
3241 implementations differ from the specification below, those differences
3242 are noted.
3243 </para>
3244
3245 <para>
3246 So much for the basic idea.  Here are the details.
3247 </para>
3248
3249 <sect3>
3250 <title>What a scoped type variable means</title>
3251 <para>
3252 A lexically-scoped type variable is simply
3253 the name for a type.   The restriction it expresses is that all occurrences
3254 of the same name mean the same type.  For example:
3255 <programlisting>
3256   f :: [Int] -> Int -> Int
3257   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
3258 </programlisting>
3259 The pattern type signatures on the left hand side of
3260 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
3261 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
3262 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
3263 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
3264 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
3265 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
3266 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
3267 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
3268 For example, all of these are legal:</para>
3269
3270 <programlisting>
3271   t (x::a) (y::a) = x+y*2
3272
3273   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
3274
3275   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
3276
3277   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
3278         in k x                  -- environment
3279
3280   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
3281   k (x::Int) False = ...
3282
3283   w :: [b] -> [b]
3284   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
3285 </programlisting>
3286
3287 </sect3>
3288
3289 <sect3>
3290 <title>Scope and implicit quantification</title>
3291
3292 <para>
3293
3294 <itemizedlist>
3295 <listitem>
3296
3297 <para>
3298 All the type variables mentioned in a pattern,
3299 that are not already in scope,
3300 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
3301 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
3302 For example:
3303 <programlisting>
3304   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
3305              in
3306              g (x,True)
3307 </programlisting>
3308 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
3309 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
3310 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
3311 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
3312 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
3313 </para>
3314 </listitem>
3315
3316 <listitem>
3317 <para>
3318 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
3319 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
3320 <programlisting>
3321   let
3322     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
3323     (p::b, q::b) = (1,2)
3324   in &lt;...body of let...>
3325 </programlisting>
3326 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
3327 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
3328 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
3329 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
3330 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
3331 type signatures in the <literal>let</literal> group.
3332 </para>
3333 </listitem>
3334
3335
3336 <listitem>
3337 <para>
3338 The type variables bound by the pattern may be 
3339 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
3340 type signatures anywhere within their scope.
3341
3342 </para>
3343 </listitem>
3344
3345 <listitem>
3346 <para>
3347  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
3348 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
3349
3350 </para>
3351 </listitem>
3352
3353 <listitem>
3354
3355 <para>
3356  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
3357 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
3358
3359 <programlisting>
3360   f :: a -> a
3361   f x = x::a
3362 </programlisting>
3363
3364 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
3365 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
3366 and that is an incorrect typing.
3367
3368 </para>
3369 </listitem>
3370
3371 <listitem>
3372 <para>
3373 The pattern type signature is a monotype:
3374 </para>
3375
3376 <itemizedlist>
3377 <listitem> <para> 
3378 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
3379 </para> </listitem>
3380
3381 <listitem>  <para> 
3382 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
3383 not to type schemes.
3384 </para> </listitem>
3385
3386 <listitem>  <para> 
3387 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
3388 ordinary type signatures).
3389 </para> </listitem>
3390
3391 </itemizedlist>
3392
3393 </listitem>
3394
3395 <listitem>
3396 <para>
3397
3398 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3399 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3400
3401
3402 <programlisting>
3403   class C a where
3404     op :: [a] -> a
3405
3406     op xs = let ys::[a]
3407                 ys = reverse xs
3408             in
3409             head ys
3410 </programlisting>
3411
3412
3413 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
3414 </para>
3415 </listitem>
3416
3417 </itemizedlist>
3418
3419 </para>
3420
3421 </sect3>
3422
3423 <sect3 id="decl-type-sigs">
3424 <title>Declaration type signatures</title>
3425 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3426 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3427 explicitly-quantified
3428 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3429 <programlisting>
3430   f :: forall a. [a] -> [a]
3431   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3432 </programlisting>
3433 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3434 the definition of "<literal>f</literal>".
3435 </para>
3436 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3437 signature is explicit.  For example:
3438 <programlisting>
3439   g :: [a] -> [a]
3440   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3441 </programlisting>
3442 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3443 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3444 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3445 quantification rules.
3446 </para>
3447 </sect3>
3448
3449 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3450 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
3451
3452 <para>
3453 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
3454 <itemizedlist>
3455
3456 <listitem>
3457 <para>
3458 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
3459 just on a variable:
3460
3461
3462 <programlisting>
3463   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
3464 </programlisting>
3465
3466
3467 </para>
3468 </listitem>
3469 <listitem>
3470
3471 <para>
3472  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3473 in lambda abstractions:
3474
3475 <programlisting>
3476   (\ (x::a, y) :: a -> x)
3477 </programlisting>
3478 </para>
3479 </listitem>
3480 <listitem>
3481
3482 <para>
3483  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3484 in <literal>case</literal> expressions:
3485
3486 <programlisting>
3487   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
3488 </programlisting>
3489
3490 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
3491 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
3492 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
3493 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
3494 arrow and give a parse error later.
3495
3496 </para>
3497
3498 </listitem>
3499
3500 <listitem>
3501 <para>
3502 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3503 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3504 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3505 consider how one would parse this:
3506
3507
3508 <programlisting>
3509   \ x :: a -> b -> x
3510 </programlisting>
3511
3512
3513 </para>
3514 </listitem>
3515
3516 <listitem>
3517
3518 <para>
3519  Pattern type signatures can bind existential type variables.
3520 For example:
3521
3522
3523 <programlisting>
3524   data T = forall a. MkT [a]
3525
3526   f :: T -> T
3527   f (MkT [t::a]) = MkT t3
3528                  where
3529                    t3::[a] = [t,t,t]
3530 </programlisting>
3531
3532
3533 </para>
3534 </listitem>
3535
3536
3537 <listitem>
3538
3539 <para>
3540 Pattern type signatures 
3541 can be used in pattern bindings:
3542
3543 <programlisting>
3544   f x = let (y, z::a) = x in ...
3545   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
3546   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
3547   f3 :: (b->b)        = \x -> x
3548 </programlisting>
3549
3550 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
3551 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
3552 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3553 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3554 In contrast, the binding
3555 <programlisting>
3556   f4 :: b->b
3557   f4 = \x -> x
3558 </programlisting>
3559 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3560 in <literal>f4</literal>'s scope.
3561
3562 </para>
3563 </listitem>
3564 </itemizedlist>
3565 </para>
3566 <para>Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
3567 type signatures.  The two can be used independently or together.</para>
3568
3569 </sect3>
3570
3571 <sect3 id="result-type-sigs">
3572 <title>Result type signatures</title>
3573
3574 <para>
3575 The result type of a function can be given a signature, thus:
3576
3577
3578 <programlisting>
3579   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3580 </programlisting>
3581
3582
3583 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3584 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3585 you want:
3586
3587
3588 <programlisting>
3589   f :: Int -> [a] -> [a]
3590   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3591                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3592 </programlisting>
3593
3594 </para>
3595 <para>
3596 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3597 of the definition. However, consider this corner-case:
3598 <programlisting>
3599   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3600
3601   foo ys = rev (ys::[a])
3602 </programlisting>
3603 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3604 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3605 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3606 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3607 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3608 </para>
3609 <para>
3610 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3611 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3612 is polymorphic:
3613 <programlisting>
3614   rev1 :: [b] -> [b]
3615   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3616 </programlisting>
3617 </para>
3618
3619 <para>
3620 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3621 </para>
3622
3623 </sect3>
3624
3625 </sect2>
3626
3627 <sect2 id="deriving-typeable">
3628 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3629
3630 <para>
3631 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3632 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3633 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3634 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3635 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3636 </para>
3637 <para>
3638 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3639 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3640 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3641 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3642 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3643 </para>
3644 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3645 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3646 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3647 described in
3648 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3649 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3650 </ulink>.
3651 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3652 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3653 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3654 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3655 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3656 then writing the data type instance by hand.
3657 </para>
3658 </sect2>
3659
3660 <sect2 id="newtype-deriving">
3661 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3662
3663 <para>
3664 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3665 the new type to inherit some instances from its representation. In
3666 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3667 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3668 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3669 example, if you define
3670
3671 <programlisting> 
3672   newtype Dollars = Dollars Int 
3673 </programlisting> 
3674
3675 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3676 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3677
3678 <programlisting> 
3679   instance Num Dollars where
3680     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3681     ...
3682 </programlisting>
3683 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3684 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3685 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3686 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3687 dictionary, only slower!
3688 </para>
3689
3690
3691 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3692 <para>
3693 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3694 <programlisting> 
3695   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3696 </programlisting> 
3697
3698 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3699 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3700 derives an instance declaration of the form
3701
3702 <programlisting> 
3703   instance Num Int => Num Dollars
3704 </programlisting> 
3705
3706 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3707 </para>
3708 <para>
3709
3710 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3711 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3712 transformers, such that
3713
3714 <programlisting> 
3715   instance Monad m => Monad (State s m) 
3716   instance Monad m => Monad (Failure m)
3717 </programlisting> 
3718 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3719 <programlisting> 
3720   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3721 </programlisting> 
3722
3723 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3724 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3725 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3726
3727 <programlisting> 
3728   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3729                          deriving Monad
3730 </programlisting>
3731 In this case the derived instance declaration is of the form 
3732 <programlisting> 
3733   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3734 </programlisting> 
3735
3736 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3737 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3738 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3739 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3740 declaration.
3741 </para>
3742 <para>
3743
3744 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3745 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3746 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3747 clause. For example, given the class
3748
3749 <programlisting> 
3750   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3751   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3752 </programlisting> 
3753 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3754 <programlisting> 
3755   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3756                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3757 </programlisting>
3758
3759 The derived instance is obtained by completing the application of the
3760 class to the new type:
3761
3762 <programlisting> 
3763   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3764            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3765 </programlisting>
3766 </para>
3767 <para>
3768
3769 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3770  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3771 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3772 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3773 the newtype and its representation.
3774 </para>
3775 </sect3>
3776
3777 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3778 <para>
3779 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3780 declaration (after expansion of any type synonyms)
3781
3782 <programlisting> 
3783   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3784 </programlisting> 
3785
3786 where 
3787  <itemizedlist>
3788 <listitem><para>
3789   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type
3790 </para></listitem>
3791 <listitem><para>
3792   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in 
3793   <literal>t</literal>, and
3794 </para></listitem>
3795 <listitem><para>
3796   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3797   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3798   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3799 </para></listitem>
3800 <listitem><para>
3801   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3802                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3803                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3804                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3805                 via this new mechanism.  
3806 </para></listitem>
3807 </itemizedlist>
3808 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3809 declaration is:
3810 <programlisting> 
3811   instance ci (t vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3812 </programlisting>
3813 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3814 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3815 </para>
3816 <para>
3817
3818 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3819 <programlisting> 
3820   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3821 </programlisting> 
3822 Here we cannot derive the instance 
3823 <programlisting> 
3824   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3825 </programlisting> 
3826
3827 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3828 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3829 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3830 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3831 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3832 </para>
3833 <para>
3834
3835 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3836 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3837 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3838
3839 <programlisting> 
3840   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3841 </programlisting>
3842
3843 then we would not have been able to derive an instance for the
3844 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3845 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3846 instances is most interesting.
3847 </para>
3848 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3849 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3850 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3851 4.3.3. of the Haskell Report).
3852 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3853 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3854 the standard method is used or the one described here.)
3855 </para>
3856 </sect3>
3857
3858 </sect2>
3859
3860 <sect2 id="typing-binds">
3861 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3862
3863 <para>
3864 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3865 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3866 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3867 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3868 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3869 As each group is type-checked, any binders of the group that
3870 have
3871 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3872 polymorphic type,
3873 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3874 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3875 </para>
3876
3877 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3878 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3879 Haskell</ulink>,
3880 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3881 specified:
3882 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3883 type signature</emphasis>.
3884 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3885 typecheck.  For example, consider:
3886 <programlisting>
3887   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3888   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3889   
3890   g y = (y &lt;= y) || f True
3891 </programlisting>
3892 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3893 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3894 <literal>f</literal>,
3895 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3896 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3897 type is generalised, to get
3898 <programlisting>
3899   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3900 </programlisting>
3901 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3902 <literal>g</literal> in the type environment.
3903 </para>
3904
3905 <para>
3906 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3907 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3908 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3909 <option>-fglasgow-exts</option>
3910 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3911 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3912 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3913 <programlisting>
3914   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3915   f x = (x == x) || g True
3916   
3917   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3918   g y = (y &lt;= y) || f True
3919 </programlisting>
3920 </para>
3921 </sect2>
3922
3923 </sect1>
3924 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3925   
3926 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3927
3928 <sect1 id="gadt">
3929 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3930
3931 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3932 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3933 <programlisting>
3934   data Term a where
3935       Lit    :: Int -> Term Int
3936       Succ   :: Term Int -> Term Int
3937       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3938       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3939       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3940 </programlisting>
3941 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3942 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3943 for these <literal>Terms</literal>:
3944 <programlisting>
3945   eval :: Term a -> a
3946   eval (Lit i)      = i
3947   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3948   eval (IsZero t)   = eval t == 0
3949   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3950   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
3951 </programlisting>
3952 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3953 </para>
3954 <para> The extensions to GHC are these:
3955 <itemizedlist>
3956 <listitem><para>
3957   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3958 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3959 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3960 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3961 <programlisting>
3962   data Term :: * -> * where ...
3963 </programlisting>
3964 or even a mixture of the two:
3965 <programlisting>
3966   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3967 </programlisting>
3968 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3969 like this:
3970 <programlisting>
3971   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3972 </programlisting>
3973 </para></listitem>
3974
3975 <listitem><para>
3976 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3977 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3978 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3979 </para></listitem>
3980
3981 <listitem><para>
3982 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
3983
3984 <programlisting>
3985   data Term a where
3986       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
3987       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
3988       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
3989       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
3990       Pair   { arg1 :: Term a
3991              , arg2 :: Term b
3992              }                    :: Term (a,b)
3993       If     { cnd  :: Term Bool
3994              , tru  :: Term a
3995              , fls  :: Term a
3996              }                    :: Term a
3997 </programlisting>
3998 For every constructor that has a field <literal>f</literal>, (a) the type of
3999 field <literal>f</literal> must be the same; and (b) the
4000 result type of the constructor must be the same; both modulo alpha conversion.
4001 Hence, in our example, we cannot merge the <literal>num</literal> and <literal>arg</literal>
4002 fields above into a 
4003 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
4004 their selector functions actually have different types:
4005
4006 <programlisting>
4007   num :: Term Int -> Term Int
4008   arg :: Term Bool -> Term Int
4009 </programlisting>
4010
4011 At the moment, record updates are not yet possible with GADT, so support is 
4012 limited to record construction, selection and pattern matching:
4013
4014 <programlisting>
4015   someTerm :: Term Bool
4016   someTerm = IsZero { arg = Succ { num = Lit { val = 0 } } }
4017
4018   eval :: Term a -> a
4019   eval Lit    { val = i } = i
4020   eval Succ   { num = t } = eval t + 1
4021   eval Pred   { num = t } = eval t - 1
4022   eval IsZero { arg = t } = eval t == 0
4023   eval Pair   { arg1 = t1, arg2 = t2 } = (eval t1, eval t2)
4024   eval t@If{} = if eval (cnd t) then eval (tru t) else eval (fls t)
4025 </programlisting>
4026
4027 </para></listitem>
4028
4029 <listitem><para>
4030 You can use strictness annotations, in the obvious places
4031 in the constructor type:
4032 <programlisting>
4033   data Term a where
4034       Lit    :: !Int -> Term Int
4035       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
4036       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
4037 </programlisting>
4038 </para></listitem>
4039
4040 <listitem><para>
4041 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
4042 declaration, but only if the data type could also have been declared in
4043 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
4044 <programlisting>
4045   data Maybe1 a where {
4046       Nothing1 :: Maybe a ;
4047       Just1    :: a -> Maybe a
4048     } deriving( Eq, Ord )
4049
4050   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
4051        deriving( Eq, Ord )
4052 </programlisting>
4053 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
4054 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
4055 </para></listitem>
4056
4057 <listitem><para>
4058 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
4059 <programlisting>
4060   eval :: Term a -> a
4061   eval (Lit i) =  ...
4062 </programlisting>
4063 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
4064 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
4065 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
4066
4067 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
4068 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
4069 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
4070 <programlisting>
4071   eval :: Term a -> a -> a
4072   eval (Lit i) j =  i+j
4073 </programlisting>
4074 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
4075 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
4076 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
4077 </para>
4078 </listitem>
4079 </itemizedlist>
4080 </para>
4081
4082 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
4083 <programlisting>
4084   data T a = forall b. MkT b (b->a)
4085   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
4086 </programlisting>
4087 </para>
4088 </sect1>
4089
4090 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
4091
4092 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
4093
4094 <sect1 id="template-haskell">
4095 <title>Template Haskell</title>
4096
4097 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
4098 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
4099 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
4100 the background to
4101 the main technical innovations is discussed in "<ulink
4102 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
4103 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
4104 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
4105 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
4106 (search for the type ExpQ).
4107 [Temporary: many changes to the original design are described in 
4108       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
4109 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
4110 </para>
4111
4112 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
4113 </para>
4114
4115 <para>
4116 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
4117 Tim Sheard is going to expand it.)
4118 </para>
4119
4120     <sect2>
4121       <title>Syntax</title>
4122
4123       <para> Template Haskell has the following new syntactic
4124       constructions.  You need to use the flag
4125       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
4126       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
4127       (<option>-fth</option> is no longer implied by
4128       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
4129
4130         <itemizedlist>
4131               <listitem><para>
4132                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
4133                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
4134                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
4135                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
4136                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
4137                   </para>
4138               <para> A splice can occur in place of 
4139                   <itemizedlist>
4140                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
4141                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
4142                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
4143                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
4144                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
4145                     </itemizedlist>
4146            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
4147         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
4148         as in the paper.)
4149                 </para></listitem>
4150
4151
4152               <listitem><para>
4153                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
4154                   <itemizedlist>
4155                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
4156                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
4157                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
4158                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
4159                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
4160                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
4161                   </itemizedlist></para></listitem>
4162
4163               <listitem><para>
4164                   Reification is written thus:
4165                   <itemizedlist>
4166                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
4167                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
4168                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
4169                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
4170                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
4171                     
4172                   </itemizedlist></para>
4173                 </listitem>
4174
4175                   
4176         </itemizedlist>
4177 </sect2>
4178
4179 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
4180 <para>
4181 <itemizedlist>
4182     <listitem><para>
4183     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
4184     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
4185     </para></listitem>
4186
4187     <listitem><para>
4188     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
4189             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
4190             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
4191    </para></listitem>
4192
4193     <listitem><para>
4194             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
4195    </para></listitem>
4196     <listitem><para>
4197             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
4198               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
4199               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
4200               the program it compiles produces results whose representations are identical to
4201               those of the compiler itself.
4202    </para></listitem>
4203 </itemizedlist>
4204 </para>
4205 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
4206         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
4207         has been lifted.
4208 </para>
4209 </sect2>
4210  
4211 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
4212 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
4213   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
4214
4215 <programlisting>
4216
4217 {- Main.hs -}
4218 module Main where
4219
4220 -- Import our template "pr"
4221 import Printf ( pr )
4222
4223 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
4224 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
4225 -- the argument of "putStrLn".
4226 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
4227
4228
4229 {- Printf.hs -}
4230 module Printf where
4231
4232 -- Skeletal printf from the paper.
4233 -- It needs to be in a separate module to the one where
4234 -- you intend to use it.
4235
4236 -- Import some Template Haskell syntax
4237 import Language.Haskell.TH
4238
4239 -- Describe a format string
4240 data Format = D | S | L String
4241
4242 -- Parse a format string.  This is left largely to you
4243 -- as we are here interested in building our first ever
4244 -- Template Haskell program and not in building printf.
4245 parse :: String -> [Format]
4246 parse s   = [ L s ]
4247
4248 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
4249 -- of the format string.  This code will be spliced into
4250 -- the module which calls "pr", at compile time.
4251 gen :: [Format] -> ExpQ
4252 gen [D]   = [| \n -> show n |]
4253 gen [S]   = [| \s -> s |]
4254 gen [L s] = stringE s
4255
4256 -- Here we generate the Haskell code for the splice
4257 -- from an input format string.
4258 pr :: String -> ExpQ
4259 pr s      = gen (parse s)
4260 </programlisting>
4261
4262 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
4263 </para>
4264 <programlisting>
4265 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
4266 </programlisting>
4267
4268 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
4269
4270 <programlisting>
4271 $ ./main
4272 Hello
4273 </programlisting>
4274
4275 </sect2>
4276
4277 <sect2>
4278 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
4279 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
4280  
4281 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
4282 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
4283 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
4284 itself is running; this means that the compiled code referred to by
4285 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
4286 in particular this means that object code that is compiled for
4287 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
4288 expression, because profiled object code is only compatible with the
4289 profiling version of the runtime.</para>
4290
4291 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
4292 containing Template Haskell code and you need to compile it for
4293 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
4294 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
4295 The basic idea is to compile the program twice:</para>
4296
4297 <orderedlist>
4298 <listitem>
4299   <para>Compile the program or library first the normal way, without
4300   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
4301 </listitem>
4302 <listitem>
4303   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
4304   additionally use <option>-osuf
4305   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
4306   to name the object files differentliy (you can choose any suffix
4307   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
4308   load the object files built in the first step when executing splice
4309   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
4310   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
4311   GHC will emit an error message. </para>
4312 </listitem>
4313 </orderedlist>
4314 </sect2>
4315
4316 </sect1>
4317
4318 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
4319
4320 <sect1 id="arrow-notation">
4321 <title>Arrow notation
4322 </title>
4323
4324 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
4325 For more details, see
4326 <itemizedlist>
4327
4328 <listitem>
4329 <para>
4330 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
4331 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
4332 pp67&ndash;111, May 2000.
4333 </para>
4334 </listitem>
4335
4336 <listitem>
4337 <para>
4338 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
4339 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
4340 </para>
4341 </listitem>
4342
4343 <listitem>
4344 <para>
4345 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
4346 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
4347 Palgrave, 2003.
4348 </para>
4349 </listitem>
4350
4351 </itemizedlist>
4352 and the arrows web page at
4353 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
4354 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
4355 notation described in the second of these papers.
4356 What follows is a brief introduction to the notation;
4357 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
4358 This notation is translated to ordinary Haskell,
4359 using combinators from the
4360 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4361 module.
4362 </para>
4363
4364 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
4365 <screen>
4366 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
4367        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4368 </screen>
4369 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
4370 The variables of the pattern are bound in the body of the 
4371 <literal>proc</literal>-expression,
4372 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
4373 The syntax of commands is as follows:
4374 <screen>
4375 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
4376        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4377        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4378 </screen>
4379 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4380 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4381 infix operators as for expressions, and
4382 <screen>
4383 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4384        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4385        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4386        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4387        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4388        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4389
4390 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4391        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4392        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4393
4394 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4395        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4396        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4397        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4398 </screen>
4399 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4400 except that the bodies are commands instead of expressions.
4401 </para>
4402
4403 <para>
4404 Commands produce values, but (like monadic computations)
4405 may yield more than one value,
4406 or none, and may do other things as well.
4407 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4408 using commands.
4409 However the values of expressions, even monadic ones,
4410 are determined by the values of the variables they contain;
4411 this is not necessarily the case for commands.
4412 </para>
4413
4414 <para>
4415 A simple example of the new notation is the expression
4416 <screen>
4417 proc x -> f -&lt; x+1
4418 </screen>
4419 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4420 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4421 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4422 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4423 It refers to the input to the arrow.
4424 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4425 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4426 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4427 (The weird look will make more sense later.)
4428 It may be read as analogue of application for arrows.
4429 The above example is equivalent to the Haskell expression
4430 <screen>
4431 arr (\ x -> x+1) >>> f
4432 </screen>
4433 That would make no sense if the expression to the left of
4434 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4435 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4436 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4437 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4438 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4439 <screen>
4440 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4441 </screen>
4442 which is equivalent to
4443 <screen>
4444 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4445 </screen>
4446 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4447 class.
4448 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4449 you may find a monadic formulation more convenient.
4450 </para>
4451
4452 <sect2>
4453 <title>do-notation for commands</title>
4454
4455 <para>
4456 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4457 For example, you can write
4458 <screen>
4459 proc x -> do
4460         y &lt;- f -&lt; x+1
4461         g -&lt; 2*y
4462         let z = x+y
4463         t &lt;- h -&lt; x*z
4464         returnA -&lt; t+z
4465 </screen>
4466 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4467 but with commands in place of monadic expressions.
4468 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4469 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4470 <literal>y</literal>.
4471 In the next line, the output is discarded.
4472 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4473 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4474 module as <literal>arr id</literal>.
4475 The above example is treated as an abbreviation for
4476 <screen>
4477 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4478         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4479         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4480         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4481         arr snd >>>
4482         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4483         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4484         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4485         returnA
4486 </screen>
4487 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4488 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4489 defined in the
4490 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4491 module, this reduces to
4492 <screen>
4493 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4494         first f >>>
4495         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4496         first g >>>
4497         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4498         first h >>>
4499         arr (\ (t, z) -> t+z)
4500 </screen>
4501 which is what you might have written by hand.
4502 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4503 </para>
4504
4505 <para>
4506 Note that although the above translation suggests that
4507 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4508 monomorphic, the actual translation produces Core,
4509 so polymorphic variables are allowed.
4510 </para>
4511
4512 <para>
4513 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4514 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4515 <programlisting>
4516 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4517 counter = proc reset -> do
4518         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4519                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4520         returnA -&lt; output
4521 </programlisting>
4522 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4523 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4524 </para>
4525
4526 </sect2>
4527
4528 <sect2>
4529 <title>Conditional commands</title>
4530
4531 <para>
4532 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4533 input for an arrow.
4534 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4535 <screen>
4536 proc (x,y) ->
4537         if f x y
4538         then g -&lt; x+1
4539         else h -&lt; y+2
4540 </screen>
4541 which is translated to
4542 <screen>
4543 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4544         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4545 </screen>
4546 Since the translation uses <function>|||</function>,
4547 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4548 </para>
4549
4550 <para>
4551 There are also <literal>case</literal> commands, like
4552 <screen>
4553 case input of
4554     [] -> f -&lt; ()
4555     [x] -> g -&lt; x+1
4556     x1:x2:xs -> do
4557         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4558         ys &lt;- k -&lt; xs
4559         returnA -&lt; y:ys
4560 </screen>
4561 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4562 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4563 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4564 </para>
4565
4566 </sect2>
4567
4568 <sect2>
4569 <title>Defining your own control structures</title>
4570
4571 <para>
4572 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4573 modelled on those for expressions,
4574 for sequencing, value recursion and conditionals.
4575 But suitable combinators,
4576 which you can define in ordinary Haskell,
4577 may also be used to build new commands out of existing ones.
4578 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4579 These environments assign values to the free local variables of the command.
4580 Thus combinators that produce arrows from arrows
4581 may also be used to build commands from commands.
4582 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4583 <programlisting>
4584 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4585 </programlisting>
4586 so we can use it to build commands:
4587 <programlisting>
4588 expr' = proc x -> do
4589                 returnA -&lt; x
4590         &lt;+> do
4591                 symbol Plus -&lt; ()
4592                 y &lt;- term -&lt; ()
4593                 expr' -&lt; x + y
4594         &lt;+> do
4595                 symbol Minus -&lt; ()
4596                 y &lt;- term -&lt; ()
4597                 expr' -&lt; x - y
4598 </programlisting>
4599 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4600 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4601 expression on the previous line.)
4602 This is equivalent to
4603 <programlisting>
4604 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4605         &lt;+> (proc x -> do
4606                 symbol Plus -&lt; ()
4607                 y &lt;- term -&lt; ()
4608                 expr' -&lt; x + y)
4609         &lt;+> (proc x -> do
4610                 symbol Minus -&lt; ()
4611                 y &lt;- term -&lt; ()
4612                 expr' -&lt; x - y)
4613 </programlisting>
4614 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4615 (representing the environment input to the command
4616 and thence to its subcommands)
4617 and satisfy the corresponding naturality property
4618 <screen>
4619 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4620 </screen>
4621 at least for strict <literal>k</literal>.
4622 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4623 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4624 of the whole command,
4625 and also allows the translation to safely trim these environments.
4626 The operator must also not use any variable defined within the current
4627 arrow abstraction.
4628 </para>
4629
4630 <para>
4631 We could define our own operator
4632 <programlisting>
4633 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4634 untilA body cond = proc x ->
4635         if cond x then returnA -&lt; ()
4636         else do
4637                 body -&lt; x
4638                 untilA body cond -&lt; x
4639 </programlisting>
4640 and use it in the same way.
4641 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4642 there is also a more general syntax involving special brackets:
4643 <screen>
4644 proc x -> do
4645         y &lt;- f -&lt; x+1
4646         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4647 </screen>
4648 </para>
4649
4650 </sect2>
4651
4652 <sect2>
4653 <title>Primitive constructs</title>
4654
4655 <para>
4656 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4657 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4658 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4659 exception that occurred to the handler.
4660 Such an operator might have a type
4661 <screen>
4662 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4663 </screen>
4664 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4665 You could then use this with arrow notation by writing a command
4666 <screen>
4667 body `handleA` \ ex -> handler
4668 </screen>
4669 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4670 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4671 and the command <literal>handler</literal>,
4672 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4673 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4674 we are talking about commands, and something different is going on.
4675 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4676 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4677 In all the prior examples, this stack was empty.
4678 In the second argument to <function>handleA</function>,
4679 this stack consists of one value, the value of the exception.
4680 The command form of lambda merely gives this value a name.
4681 </para>
4682
4683 <para>
4684 More concretely,
4685 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4686 So operators like <function>handleA</function> that pass
4687 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4688 by pairing the values with the environment in this way.
4689 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4690 should have the form
4691 <screen>
4692 a (...(e,t1), ... tn) t
4693 </screen>
4694 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4695 (representing the environment)
4696 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4697 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4698 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4699 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4700 <replaceable>t</replaceable>.
4701 However the arrows involved need not be the same.
4702 Here are some more examples of suitable operators:
4703 <screen>
4704 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4705 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4706 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4707 </screen>
4708 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4709 by applying them to ordinary expressions, as in
4710 <screen>
4711 proc x -> do
4712         s &lt;- ...
4713         (|runReader (do { ... })|) s
4714 </screen>
4715 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4716 built using <function>runReader</function>.
4717 </para>
4718
4719 <para>
4720 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4721 the expression versions.
4722 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4723 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4724 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4725 though the results would be somewhat clumsy.
4726 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4727 <programlisting>
4728 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4729 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4730
4731 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4732 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4733 </programlisting>
4734 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4735 <programlisting>
4736 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4737 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4738 </programlisting>
4739 </para>
4740
4741 </sect2>
4742
4743 <sect2>
4744 <title>Differences with the paper</title>
4745
4746 <itemizedlist>
4747
4748 <listitem>
4749 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4750 translations, the implementation provides two forms
4751 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4752 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4753 </para>
4754 </listitem>
4755
4756 <listitem>
4757 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4758 a new <literal>form</literal> keyword.
4759 </para>
4760 </listitem>
4761
4762 </itemizedlist>
4763
4764 </sect2>
4765
4766 <sect2>
4767 <title>Portability</title>
4768
4769 <para>
4770 Although only GHC implements arrow notation directly,
4771 there is also a preprocessor
4772 (available from the 
4773 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4774 that translates arrow notation into Haskell 98
4775 for use with other Haskell systems.
4776 You would still want to check arrow programs with GHC;
4777 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4778 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4779 additional restrictions:
4780 <itemizedlist>
4781
4782 <listitem>
4783 <para>
4784 The module must import
4785 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4786 </para>
4787 </listitem>
4788
4789 <listitem>
4790 <para>
4791 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4792 These would have to go in separate modules.
4793 </para>
4794 </listitem>
4795
4796 <listitem>
4797 <para>
4798 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4799 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4800 </para>
4801 </listitem>
4802
4803 </itemizedlist>
4804 </para>
4805
4806 </sect2>
4807
4808 </sect1>
4809
4810 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
4811
4812 <sect1 id="sec-bang-patterns">
4813 <title>Bang patterns
4814 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
4815 </title>
4816 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
4817 patterns</emphasis>.   Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
4818 The <ulink
4819 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
4820 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
4821 than the material below.
4822 </para>
4823 <para>
4824 Bang patterns are enabled by the flag <option>-fbang-patterns</option>.
4825 </para>
4826
4827 <sect2 id="sec-bang-patterns-informal">
4828 <title>Informal description of bang patterns
4829 </title>
4830 <para>
4831 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
4832 <programlisting>
4833   pat ::= !pat
4834 </programlisting>
4835 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
4836 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
4837 Example:
4838 <programlisting>
4839 f1 !x = True
4840 </programlisting>
4841 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
4842 whereas without the bang it would be lazy.
4843 Bang patterns can be nested of course:
4844 <programlisting>
4845 f2 (!x, y) = [x,y]
4846 </programlisting>
4847 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
4848 <literal>y</literal>.  
4849 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
4850 <programlisting>
4851 f3 !(x,y) = [x,y]
4852 f4 (x,y)  = [x,y]
4853 </programlisting>
4854 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; putting a bang before a pattern that
4855 forces evaluation anyway does nothing.
4856 </para><para>
4857 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
4858 <programlisting>
4859 g5 x = let y = f x in body
4860 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
4861 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
4862 </programlisting>
4863 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
4864 But <literal>g7</literal> evalutes <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
4865 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
4866 </para><para>
4867 Bang patterns work in <literal>let</literal> and <literal>where</literal>
4868 definitions too. For example:
4869 <programlisting>
4870 let ![x,y] = e in b
4871 </programlisting>
4872 is a strict pattern: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
4873 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>
4874 The "<literal>!</literal>" should not be regarded as part of the pattern; after all,
4875 in a function argument <literal>![x,y]</literal> means the 
4876 same as <literal>[x,y]</literal>.  Rather, the "<literal>!</literal>" 
4877 is part of the syntax of <literal>let</literal> bindings.
4878 </para>
4879 </sect2>
4880
4881
4882 <sect2 id="sec-bang-patterns-sem">
4883 <title>Syntax and semantics
4884 </title>
4885 <para>
4886
4887 We add a single new production to the syntax of patterns:
4888 <programlisting>
4889   pat ::= !pat
4890 </programlisting>
4891 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
4892 <programlisting>
4893 f !x = 3
4894 </programlisting>
4895 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
4896 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
4897 ambiguity inf favour of the latter.  If you want to define
4898 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
4899 prefix notation:
4900 <programlisting>
4901 (!) f x = 3
4902 </programlisting>
4903 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
4904 url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
4905 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
4906 one extra item 10, saying:
4907 <itemizedlist><listitem><para>Matching
4908 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
4909 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
4910                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
4911                 <literal>v</literal></para></listitem>
4912 </itemizedlist>
4913 </para></listitem></itemizedlist>
4914 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
4915 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
4916 <programlisting>
4917 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
4918    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
4919 </programlisting>
4920 </para><para>
4921 That leaves let expressions, whose translation is given in 
4922 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
4923 3.12</ulink>
4924 of the Haskell Report.
4925 In the translation box, first apply 
4926 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
4927 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
4928 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
4929 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
4930 </para>
4931 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
4932 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
4933 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
4934 thus:
4935 <programlisting>
4936   let !y = f x in b
4937 </programlisting>
4938
4939 </para>
4940 <para>
4941 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
4942 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
4943 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
4944      is equivalent to
4945 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
4946 </para>
4947 <para>
4948 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
4949 a module.
4950 </para>
4951 </sect2>
4952 </sect1>
4953
4954 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4955
4956 <sect1 id="sec-assertions">
4957 <title>Assertions
4958 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4959 </title>
4960
4961 <para>
4962 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4963 could define a function like the following:
4964 </para>
4965
4966 <para>
4967
4968 <programlisting>
4969 assert :: Bool -> a -> a
4970 assert False x = error "assertion failed!"
4971 assert _     x = x
4972 </programlisting>
4973
4974 </para>
4975
4976 <para>
4977 which works, but gives you back a less than useful error message --
4978 an assertion failed, but which and where?
4979 </para>
4980
4981 <para>
4982 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4983 takes a descriptive string to include in the error message and
4984 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4985 the source location where <function>assert</function> was used.
4986 </para>
4987
4988 <para>
4989 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4990 use of <function>assert</function> in the user's source:
4991 </para>
4992
4993 <para>
4994
4995 <programlisting>
4996 kelvinToC :: Double -> Double
4997 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4998 </programlisting>
4999
5000 </para>
5001
5002 <para>
5003 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
5004 assertion was made,
5005 </para>
5006
5007 <para>
5008
5009 <programlisting>
5010 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
5011 </programlisting>
5012
5013 </para>
5014
5015 <para>
5016 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
5017 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
5018 can still define and use your own versions of
5019 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
5020 <literal>Control.Exception</literal> to make use
5021 <function>assert</function> in your code.
5022 </para>
5023
5024 <para>
5025 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
5026       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
5027 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
5028 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
5029       <option>-fignore-asserts</option>
5030       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
5031       </indexterm>.</para>
5032
5033 <para>
5034 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
5035 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
5036 </para>
5037
5038 </sect1>
5039
5040
5041 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
5042
5043   <sect1 id="pragmas">
5044     <title>Pragmas</title>
5045
5046     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
5047
5048     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
5049     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
5050     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
5051     of the generated code.</para>
5052
5053     <para>Pragmas all take the form
5054
5055 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
5056
5057     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
5058     pragma, and is followed optionally by information specific to that
5059     type of pragma.  Case is ignored in
5060     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
5061     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
5062     in the following sections; any pragma encountered with an
5063     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
5064     ignored.</para>
5065
5066     <sect2 id="deprecated-pragma">
5067       <title>DEPRECATED pragma</title>
5068       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
5069       </indexterm>
5070
5071       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
5072       function, class, or type, is deprecated.  There are two
5073       forms.
5074
5075       <itemizedlist>
5076         <listitem>
5077           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
5078 <programlisting>
5079    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
5080      ...
5081 </programlisting>
5082           <para>When you compile any module that import
5083           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
5084           message.</para>
5085         </listitem>
5086
5087         <listitem>
5088           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
5089           following top-level declaration:</para>
5090 <programlisting>
5091    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
5092 </programlisting>
5093           <para>When you compile any module that imports and uses any
5094           of the specified entities, GHC will print the specified
5095           message.</para>
5096           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
5097           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
5098           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
5099           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
5100           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
5101           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
5102           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
5103         </listitem>
5104       </itemizedlist>
5105       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
5106       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
5107       deprecations are not reported for
5108       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
5109       (b) uses of a deprecated function in an export list.
5110       The latter reduces spurious complaints within a library
5111       in which one module gathers together and re-exports 
5112       the exports of several others.
5113       </para>
5114       <para>You can suppress the warnings with the flag
5115       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
5116     </sect2>
5117
5118     <sect2 id="include-pragma">
5119       <title>INCLUDE pragma</title>
5120
5121       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
5122         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
5123         the C source code generated by the compiler for the current module (if
5124         compiling via C).  For example:</para>
5125
5126 <programlisting>
5127 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
5128 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
5129
5130       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
5131         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
5132         pragma(s).</para>
5133
5134       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
5135         to the <option>-#include</option> option (<xref
5136           linkend="options-C-compiler" />), because the
5137         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
5138         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
5139         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
5140         don't recommend using this approach with GHC.</para>
5141     </sect2>
5142
5143     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
5144       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
5145
5146       <para>These pragmas control the inlining of function
5147       definitions.</para>
5148
5149       <sect3 id="inline-pragma">
5150         <title>INLINE pragma</title>
5151         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
5152
5153         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
5154         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
5155         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
5156         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
5157         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
5158         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
5159         export that unfolding for other modules to use.</para>
5160
5161         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
5162         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
5163         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
5164
5165 <programlisting>
5166 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
5167
5168 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5169 {-# INLINE key_function #-}
5170 #endif
5171 </programlisting>
5172
5173         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
5174         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
5175         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
5176
5177         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
5178         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
5179         The normal unfolding machinery will then be very keen to
5180         inline it.</para>
5181
5182         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
5183         function can be put anywhere its type signature could be
5184         put.</para>
5185
5186         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
5187         good idea for the
5188         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
5189         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
5190         a monad.  For example, in GHC's own
5191         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
5192
5193 <programlisting>
5194 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5195 {-# INLINE thenUs #-}
5196 {-# INLINE returnUs #-}
5197 #endif
5198 </programlisting>
5199
5200         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
5201         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
5202       </sect3>
5203
5204       <sect3 id="noinline-pragma">
5205         <title>NOINLINE pragma</title>
5206         
5207         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
5208         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
5209
5210         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
5211         you'd expect: it stops the named function from being inlined
5212         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
5213         you're very cautious about code size.</para>
5214
5215         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
5216         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
5217         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
5218         inlining, so it should be used if you want your code to be
5219         portable).</para>
5220       </sect3>
5221
5222       <sect3 id="phase-control">
5223         <title>Phase control</title>
5224
5225         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
5226         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
5227         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
5228         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
5229         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
5230         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
5231         sequence of phase numbers for successive runs of the
5232         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
5233         phase number, thus:
5234         <itemizedlist>
5235           <listitem>
5236             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5237             <literal>f</literal>
5238               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5239               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
5240             </para></listitem>
5241           <listitem>
5242             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
5243             <literal>f</literal>
5244               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5245               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5246             </para></listitem>
5247           <listitem>
5248             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5249             <literal>f</literal>
5250               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5251               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
5252               there was no pragma).
5253             </para></listitem>
5254             <listitem>
5255             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
5256             <literal>f</literal>
5257               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5258               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5259             </para></listitem>
5260         </itemizedlist>
5261 The same information is summarised here:
5262 <programlisting>
5263                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
5264   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
5265   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
5266   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
5267   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
5268
5269   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
5270   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
5271 </programlisting>
5272 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
5273 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
5274 Another way to understand the semantics is this:
5275 <itemizedlist>
5276 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
5277 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
5278 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
5279 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
5280 happen.
5281 </para></listitem>
5282 </itemizedlist>
5283 </para>
5284 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
5285         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
5286       </sect3>
5287     </sect2>
5288
5289     <sect2 id="language-pragma">
5290       <title>LANGUAGE pragma</title>
5291
5292       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5293       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
5294
5295       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
5296         It is the intention that all Haskell compilers support the
5297         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
5298         all extensions are supported by all compilers, of
5299         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
5300         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
5301
5302       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
5303
5304 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
5305
5306       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
5307         <ulink
5308           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>
5309     </sect2>
5310
5311
5312     <sect2 id="line-pragma">
5313       <title>LINE pragma</title>
5314
5315       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5316       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
5317       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
5318       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
5319       code.  It lets you specify the line number and filename of the
5320       original code; for example</para>
5321
5322 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
5323
5324       <para>if you'd generated the current file from something called
5325       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
5326       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
5327       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
5328       pragma.</para>
5329     </sect2>
5330
5331     <sect2 id="options-pragma">
5332       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
5333       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
5334       </indexterm>
5335       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
5336       </indexterm>
5337
5338       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
5339       additional options that are given to the compiler when compiling
5340       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
5341       details.</para>
5342
5343       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
5344         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
5345     </sect2>
5346
5347     <sect2 id="rules">
5348       <title>RULES pragma</title>
5349
5350       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
5351       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
5352     </sect2>
5353
5354     <sect2 id="specialize-pragma">
5355       <title>SPECIALIZE pragma</title>
5356
5357       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5358       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
5359       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5360
5361       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
5362       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
5363       specialised to particular types.  Thus, if you have an
5364       overloaded function:</para>
5365
5366 <programlisting>
5367   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
5368 </programlisting>
5369
5370       <para>If it is heavily used on lists with
5371       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
5372       follows:</para>
5373
5374 <programlisting>
5375   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
5376 </programlisting>
5377
5378       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
5379       be put anywhere its type signature could be put.</para>
5380
5381       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
5382       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
5383       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
5384       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
5385
5386       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
5387         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
5388         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
5389 <programlisting>
5390   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
5391 </programlisting>
5392       is valid if and only if the defintion
5393 <programlisting>
5394   f_spec :: &lt;type&gt;
5395   f_spec = f
5396 </programlisting>
5397       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
5398       for the original function, not its code):
5399 <programlisting>
5400   f :: Eq a => a -> b -> b
5401   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
5402
5403   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
5404   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
5405
5406   h :: Eq a => a -> a -> a
5407   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
5408 </programlisting>  
5409 The last of these examples will generate a 
5410 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
5411 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
5412 </para>
5413
5414 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
5415 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
5416 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
5417 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised verison of the
5418 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
5419 example is this:
5420 <programlisting>
5421 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
5422 data Arr e where
5423   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
5424   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
5425
5426 (!:) :: Arr e -> Int -> e
5427 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
5428 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
5429 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
5430 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
5431 </programlisting>
5432 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
5433 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
5434 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
5435 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
5436 <literal>(!:)</literal>,
5437 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
5438 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
5439 unrolling of the indexing function.</para>
5440 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
5441 on an ordinarily-recursive function.</para>
5442
5443       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
5444       specialised function for a given type:
5445
5446 <programlisting>
5447 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
5448 </programlisting>
5449
5450       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
5451       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
5452
5453     </sect2>
5454
5455 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
5456 <title>SPECIALIZE instance pragma
5457 </title>
5458
5459 <para>
5460 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5461 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5462 Same idea, except for instance declarations.  For example:
5463
5464 <programlisting>
5465 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
5466    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
5467    ... usual stuff ...
5468  }
5469 </programlisting>
5470 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
5471 of the instance declaration.
5472 </para>
5473 <para>
5474 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
5475 of the pragma.
5476 </para>
5477
5478 </sect2>
5479
5480     <sect2 id="unpack-pragma">
5481       <title>UNPACK pragma</title>
5482
5483       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
5484       
5485       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
5486       that it should unpack the contents of a constructor field into
5487       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
5488       example:</para>
5489
5490 <programlisting>
5491 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
5492            {-# UNPACK #-} !Float
5493 </programlisting>
5494
5495       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
5496       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
5497       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
5498       floats passed to a non-strict function for example, they will
5499       have to be reboxed (this is done automatically by the
5500       compiler).</para>
5501
5502       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
5503       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
5504       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
5505       often as possible.  For example:</para>
5506
5507 <programlisting>
5508 f :: T -&#62; Float
5509 f (T f1 f2) = f1 + f2
5510 </programlisting>
5511
5512       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
5513       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
5514       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
5515
5516       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
5517       example</para>
5518
5519 <programlisting>
5520 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
5521 </programlisting>
5522
5523       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
5524       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5525       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5526
5527 <programlisting>
5528 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5529 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5530 </programlisting>
5531
5532       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5533       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5534       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5535
5536       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5537       so it might be an idea to check the generated code with
5538       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5539
5540       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5541       which essentially has the effect of adding
5542       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5543       constructor field.</para>
5544     </sect2>
5545
5546 </sect1>
5547
5548 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5549
5550 <sect1 id="rewrite-rules">
5551 <title>Rewrite rules
5552
5553 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5554 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5555 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5556
5557 <para>
5558 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5559 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5560 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5561 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5562 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified, and (c) the
5563 <option>-fglasgow-exts</option> (<xref linkend="options-language"/>)
5564 flag is active.
5565 </para>
5566
5567 <para>
5568 Here is an example:
5569
5570 <programlisting>
5571   {-# RULES
5572         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5573   #-}
5574 </programlisting>
5575
5576 </para>
5577
5578 <sect2>
5579 <title>Syntax</title>
5580
5581 <para>
5582 From a syntactic point of view:
5583
5584 <itemizedlist>
5585 <listitem>
5586
5587 <para>
5588  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5589 </para>
5590 </listitem>
5591
5592 <listitem>
5593
5594 <para>
5595  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5596 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5597 </para>
5598 </listitem>
5599
5600 <listitem>
5601 <para>
5602 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5603 immediately after the name of the rule.  Thus:
5604 <programlisting>
5605   {-# RULES
5606         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5607   #-}
5608 </programlisting>
5609 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5610 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5611 Phase 2.
5612 </para>
5613 </listitem>
5614
5615
5616 <listitem>
5617
5618 <para>
5619  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5620 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5621 enclosing definitions.
5622 </para>
5623 </listitem>
5624
5625 <listitem>
5626
5627 <para>
5628  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5629 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5630 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5631 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5632 </para>
5633 </listitem>
5634 <listitem>
5635
5636 <para>
5637  A pattern variable may optionally have a type signature.
5638 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5639 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5640
5641 <programlisting>
5642 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5643               foldr k z (build g) = g k z
5644 </programlisting>
5645
5646 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5647
5648 </para>
5649 </listitem>
5650 <listitem>
5651
5652 <para>
5653 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5654 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5655
5656 <programlisting>
5657 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5658 "wrong2"   forall f.      f True = True
5659 </programlisting>
5660
5661 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5662 in the head.
5663 </para>
5664 </listitem>
5665 <listitem>
5666
5667 <para>
5668  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5669 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5670 </para>
5671 </listitem>
5672 <listitem>
5673
5674 <para>
5675  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5676 </para>
5677 </listitem>
5678
5679 </itemizedlist>
5680
5681 </para>
5682
5683 </sect2>
5684
5685 <sect2>
5686 <title>Semantics</title>
5687
5688 <para>
5689 From a semantic point of view:
5690
5691 <itemizedlist>
5692 <listitem>
5693
5694 <para>
5695 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5696 </para>
5697 </listitem>
5698
5699 <listitem>
5700 <para>
5701  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5702 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5703 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5704 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5705 expression by substituting for the pattern variables.
5706
5707 </para>
5708 </listitem>
5709 <listitem>
5710
5711 <para>
5712  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5713 same type.
5714
5715 </para>
5716 </listitem>
5717 <listitem>
5718
5719 <para>
5720  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5721 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5722 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5723
5724 </para>
5725 </listitem>
5726 <listitem>
5727
5728 <para>
5729  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5730 terminating.  For example:
5731
5732 <programlisting>
5733   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5734 </programlisting>
5735
5736 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5737
5738 </para>
5739 </listitem>
5740 <listitem>
5741
5742 <para>
5743  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5744
5745 </para>
5746 </listitem>
5747 <listitem>
5748 <para>
5749  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5750 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5751 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5752 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5753 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5754 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5755 </para>
5756
5757 <para>
5758 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5759 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5760 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5761 </para>
5762 </listitem>
5763 <listitem>
5764
5765 <para>
5766  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5767 For example, consider:
5768
5769 <programlisting>
5770   let s = map f
5771       t = map g
5772   in
5773   s (t xs)
5774 </programlisting>
5775
5776 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5777 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5778 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5779 not be substituted, and the rule would not fire.
5780
5781 </para>
5782 </listitem>
5783 <listitem>
5784
5785 <para>
5786  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5787 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5788 for something you can't match against it (given the simple minded
5789 matching).  So if you write the rule
5790
5791 <programlisting>
5792         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5793 </programlisting>
5794
5795 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5796 It will only match something written with explicit use of ".".
5797 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5798
5799 <programlisting>
5800 wibble f g xs
5801 </programlisting>
5802
5803 where <function>wibble</function> is defined:
5804
5805 <programlisting>
5806 wibble f g = map f . map g
5807 </programlisting>
5808
5809 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5810
5811 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5812 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5813 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5814
5815 </para>
5816 </listitem>
5817 <listitem>
5818
5819 <para>
5820  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5821 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5822 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5823 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5824 declarations.
5825 </para>
5826 </listitem>
5827
5828 </itemizedlist>
5829
5830 </para>
5831
5832 </sect2>
5833
5834 <sect2>
5835 <title>List fusion</title>
5836
5837 <para>
5838 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5839 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5840 intermediate list should be eliminated entirely.
5841 </para>
5842
5843 <para>
5844 The following are good producers:
5845
5846 <itemizedlist>
5847 <listitem>
5848
5849 <para>
5850  List comprehensions
5851 </para>
5852 </listitem>
5853 <listitem>
5854
5855 <para>
5856  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5857 </para>
5858 </listitem>
5859 <listitem>
5860
5861 <para>
5862  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5863 </para>
5864 </listitem>
5865 <listitem>
5866
5867 <para>
5868  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5869 </para>
5870 </listitem>
5871 <listitem>
5872
5873 <para>
5874  <function>++</function>
5875 </para>
5876 </listitem>
5877
5878 <listitem>
5879 <para>
5880  <function>map</function>
5881 </para>
5882 </listitem>
5883
5884 <listitem>
5885 <para>
5886 <function>take</function>, <function>filter</function>
5887 </para>
5888 </listitem>
5889 <listitem>
5890
5891 <para>
5892  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5893 </para>
5894 </listitem>
5895 <listitem>
5896
5897 <para>
5898  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5899 </para>
5900 </listitem>
5901
5902 </itemizedlist>
5903
5904 </para>
5905
5906 <para>
5907 The following are good consumers:
5908
5909 <itemizedlist>
5910 <listitem>
5911
5912 <para>
5913  List comprehensions
5914 </para>
5915 </listitem>
5916 <listitem>
5917
5918 <para>
5919  <function>array</function> (on its second argument)
5920 </para>
5921 </listitem>
5922 <listitem>
5923
5924 <para>
5925  <function>length</function>
5926 </para>
5927 </listitem>
5928 <listitem>
5929
5930 <para>
5931  <function>++</function> (on its first argument)
5932 </para>
5933 </listitem>
5934
5935 <listitem>
5936 <para>
5937  <function>foldr</function>
5938 </para>
5939 </listitem>
5940
5941 <listitem>
5942 <para>
5943  <function>map</function>
5944 </para>
5945 </listitem>
5946 <listitem>
5947
5948 <para>
5949 <function>take</function>, <function>filter</function>
5950 </para>
5951 </listitem>
5952 <listitem>
5953
5954 <para>
5955  <function>concat</function>
5956 </para>
5957 </listitem>
5958 <listitem>
5959
5960 <para>
5961  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5962 </para>
5963 </listitem>
5964 <listitem>
5965
5966 <para>
5967  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5968 will fuse with one but not the other)
5969 </para>
5970 </listitem>
5971 <listitem>
5972
5973 <para>
5974  <function>partition</function>
5975 </para>
5976 </listitem>
5977 <listitem>
5978
5979 <para>
5980  <function>head</function>
5981 </para>
5982 </listitem>
5983 <listitem>
5984
5985 <para>
5986  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5987 </para>
5988 </listitem>
5989 <listitem>
5990
5991 <para>
5992  <function>sequence&lowbar;</function>
5993 </para>
5994 </listitem>
5995 <listitem>
5996
5997 <para>
5998  <function>msum</function>
5999 </para>
6000 </listitem>
6001 <listitem>
6002
6003 <para>
6004  <function>sortBy</function>
6005 </para>
6006 </listitem>
6007
6008 </itemizedlist>
6009
6010 </para>
6011
6012  <para>
6013 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
6014
6015 <programlisting>
6016 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
6017 </programlisting>
6018
6019 </para>
6020
6021 <para>
6022 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
6023 a lot which are not included, please tell us.
6024 </para>
6025
6026 <para>
6027 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
6028 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
6029 </para>
6030
6031 </sect2>
6032
6033 <sect2 id="rule-spec">
6034 <title>Specialisation
6035 </title>
6036
6037 <para>
6038 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
6039 present in earlier versions of GHC.
6040 For example, suppose that:
6041
6042 <programlisting>
6043 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
6044 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
6045 </programlisting>
6046
6047 where <function>intLookup</function> is an implementation of
6048 <function>genericLookup</function> that works very fast for
6049 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
6050 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
6051 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
6052 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
6053 It used to be possible to write
6054
6055 <programlisting>
6056 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
6057 </programlisting>
6058
6059 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
6060
6061 <programlisting>
6062 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
6063 </programlisting>
6064
6065 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
6066 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
6067 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
6068 What is more, this rule does not need to be in the same
6069 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
6070 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
6071 have an original definition available to specialise).
6072 </para>
6073
6074 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
6075 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
6076 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
6077
6078 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
6079 specialisation will Win Big:
6080
6081 <programlisting>
6082 toDouble :: Real a => a -> Double
6083 toDouble = fromRational . toRational
6084
6085 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
6086 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
6087 </programlisting>
6088
6089 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
6090 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
6091 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
6092 comparison.
6093 </para>
6094
6095 </sect2>
6096
6097 <sect2>
6098 <title>Controlling what's going on</title>
6099
6100 <para>
6101
6102 <itemizedlist>
6103 <listitem>
6104
6105 <para>
6106  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
6107 </para>
6108 </listitem>
6109 <listitem>
6110
6111 <para>
6112  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
6113 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
6114 </para>
6115 </listitem>
6116 <listitem>
6117
6118 <para>
6119  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
6120
6121 <programlisting>
6122         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
6123         {-# INLINE build #-}
6124         build g = g (:) []
6125 </programlisting>
6126
6127 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
6128 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
6129 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
6130 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
6131
6132 </para>
6133 </listitem>
6134 <listitem>
6135
6136 <para>
6137  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
6138 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
6139 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
6140 </para>
6141 </listitem>
6142
6143 </itemizedlist>
6144
6145 </para>
6146
6147 </sect2>
6148
6149 <sect2 id="core-pragma">
6150   <title>CORE pragma</title>
6151
6152   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
6153   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
6154   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
6155
6156 <para>
6157   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
6158   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
6159   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
6160   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
6161   literal as an argument.  The following function definition shows an
6162   example:
6163
6164 <programlisting>
6165 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
6166 </programlisting>
6167
6168   Semantically, this is equivalent to:
6169
6170 <programlisting>
6171 g x = show x
6172 </programlisting>
6173 </para>
6174
6175 <para>
6176   However, when external for is generated (via
6177   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
6178   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
6179   The core function declaration for <function>f</function> is:
6180 </para>
6181
6182 <programlisting>
6183   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
6184                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
6185     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
6186         (%note "foo"
6187          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
6188            {GHCziShow.ZCDShow
6189             (tpl1::GHCziBase.Int ->
6190                    a ->
6191                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6192 r)
6193             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
6194             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
6195                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6196 r) ->
6197               tpl2})
6198         (%note "foo"
6199          eta);
6200 </programlisting>
6201
6202 <para>
6203   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
6204   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
6205   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
6206   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
6207   <varname>x</varname>).
6208 </para>
6209
6210 </sect2>
6211
6212 </sect1>
6213
6214 <sect1 id="special-ids">
6215 <title>Special built-in functions</title>
6216 <para>GHC has a few built-in funcions with special behaviour, 
6217 described in this section.  All are exported by
6218 <literal>GHC.Exts</literal>.</para>
6219
6220 <sect2> <title>The <literal>inline</literal> function </title>
6221 <para>
6222 The <literal>inline</literal> function is somewhat experimental.
6223 <programlisting>
6224   inline :: a -> a
6225 </programlisting>
6226 The call <literal>(inline f)</literal> arranges that <literal>f</literal> 
6227 is inlined, regardless of its size.  More precisely, the call
6228 <literal>(inline f)</literal> rewrites to the right-hand side of <literal>f</literal>'s 
6229 definition.  
6230 This allows the programmer to control inlining from 
6231 a particular <emphasis>call site</emphasis>
6232 rather than the <emphasis>definition site</emphasis> of the function 
6233 (c.f. <literal>INLINE</literal> pragmas <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>).
6234 </para>
6235 <para>
6236 This inlining occurs regardless of the argument to the call
6237 or the size of <literal>f</literal>'s definition; it is unconditional.
6238 The main caveat is that <literal>f</literal>'s definition must be
6239 visible to the compiler.  That is, <literal>f</literal> must be
6240 let-bound in the current scope.
6241 If no inlining takes place, the <literal>inline</literal> function
6242 expands to the identity function in Phase zero; so its use imposes
6243 no overhead.</para>
6244
6245 <para> If the function is defined in another
6246 module, GHC only exposes its inlining in the interface file if the
6247 function is sufficiently small that it <emphasis>might</emphasis> be
6248 inlined by the automatic mechanism.  There is currently no way to tell
6249 GHC to expose arbitrarily-large functions in the interface file.  (This
6250 shortcoming is something that could be fixed, with some kind of pragma.)
6251 </para>
6252 </sect2>
6253
6254 <sect2> <title>The <literal>lazy</literal> function </title>
6255 <para>
6256 The <literal>lazy</literal> function restrains strictness analysis a little:
6257 <programlisting>
6258   lazy :: a -> a
6259 </programlisting>
6260 The call <literal>(lazy e)</literal> means the same as <literal>e</literal>, 
6261 but <literal>lazy</literal> has a magical property so far as strictness
6262 analysis is concerned: it is lazy in its first argument,
6263 even though its semantics is strict.  After strictness analysis has run,
6264 calls to <literal>lazy</literal> are inlined to be the identity function.
6265 </para>
6266 <para>
6267 This behaviour is occasionally useful when controlling evaluation order.
6268 Notably, <literal>lazy</literal> is used in the library definition of
6269 <literal>Control.Parallel.par</literal>:
6270 <programlisting>
6271   par :: a -> b -> b
6272   par x y = case (par# x) of { _ -> lazy y }
6273 </programlisting>
6274 If <literal>lazy</literal> were not lazy, <literal>par</literal> would
6275 look strict in <literal>y</literal> which would defeat the whole 
6276 purpose of <literal>par</literal>.
6277 </para>
6278 </sect2>
6279
6280 <sect2> <title>The <literal>unsafeCoerce#</literal> function </title>
6281 <para>
6282 The function <literal>unsafeCoerce#</literal> allows you to side-step the
6283 typechecker entirely.  It has type
6284 <programlisting>
6285   unsafeCoerce# :: a -> b
6286 </programlisting>
6287 That is, it allows you to coerce any type into any other type.  If you use this
6288 function, you had better get it right, otherwise segmentation faults await. 
6289 It is generally used when you want to write a program that you know is
6290 well-typed, but where Haskell's type system is not expressive enough to prove
6291 that it is well typed.
6292 </para>
6293 </sect2>
6294 </sect1>
6295
6296
6297 <sect1 id="generic-classes">
6298 <title>Generic classes</title>
6299
6300     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
6301     GHC 5.02).</para>
6302
6303 <para>
6304 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
6305 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
6306 An example will give the idea:
6307 </para>
6308
6309 <programlisting>
6310   import Generics
6311
6312   class Bin a where
6313     toBin   :: a -> [Int]
6314     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
6315   
6316     toBin {| Unit |}    Unit      = []
6317     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
6318     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
6319     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
6320   
6321     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
6322     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
6323     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
6324     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
6325                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
6326 </programlisting>
6327 <para>
6328 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
6329 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
6330 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
6331 </para>
6332 <programlisting>
6333   data Unit    = Unit
6334   data a :+: b = Inl a | Inr b
6335   data a :*: b = a :*: b
6336 </programlisting>
6337 <para>
6338 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
6339 <programlisting>
6340   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
6341   instance Bin a => Bin [a]
6342 </programlisting>
6343 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
6344 where clause and over-ride whichever methods you please.
6345 </para>
6346
6347     <sect2>
6348       <title> Using generics </title>
6349       <para>To use generics you need to</para>
6350       <itemizedlist>
6351         <listitem>
6352           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
6353                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
6354                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
6355                 available.  </para>
6356         </listitem>
6357         <listitem>
6358           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
6359           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
6360           scope the data types <literal>Unit</literal>,
6361           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
6362           don't need this import if you don't mention these types
6363           explicitly; for example, if you are simply giving instance
6364           declarations.)</para>
6365         </listitem>
6366       </itemizedlist>
6367     </sect2>
6368
6369 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
6370 <para>
6371 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
6372 can be written infix (indeed, you can now use
6373 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
6374 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
6375 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
6376 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
6377 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
6378 anticipate wanting).
6379 </para>
6380 </sect2>
6381
6382 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
6383 <para>
6384 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
6385 is one that is defined using type patterns as above.
6386 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
6387 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
6388 generic default method.
6389 </para>
6390
6391 <para>
6392 Restrictions:
6393 <itemizedlist>
6394 <listitem>
6395 <para>
6396 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
6397 field labels.
6398 </para>
6399 </listitem>
6400
6401 <listitem>
6402 <para>
6403 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
6404 multi-parameter class.
6405 </para>
6406 </listitem>
6407
6408 <listitem>
6409 <para>
6410 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
6411 without.  So this is illegal:
6412 <programlisting>
6413   class Foo a where
6414     op :: a -> (a, Bool)
6415     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
6416     op x               = (x,    False)
6417 </programlisting>
6418 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
6419 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
6420 </para>
6421 </listitem>
6422
6423 <listitem>
6424 <para>
6425 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
6426 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:
6427 <programlisting>
6428   class Foo a where
6429     op :: a -> Bool
6430     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
6431     ...
6432 </programlisting>
6433 </para>
6434 </listitem>
6435
6436 <listitem>
6437 <para>
6438 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
6439 <programlisting>
6440        a :+: b
6441        a :*: b
6442        Unit
6443 </programlisting>
6444 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
6445 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
6446 must use the same type variables.  So this is illegal:
6447 <programlisting>
6448   class Foo a where
6449     op :: a -> Bool
6450     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
6451     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
6452 </programlisting>
6453 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
6454 So this too is illegal:
6455 <programlisting>
6456   class Foo a where
6457     op1 :: a -> Bool
6458     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
6459
6460     op2 :: a -> Bool
6461     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
6462 </programlisting>
6463 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
6464 into a single generic instance declaration.)
6465 </para>
6466 </listitem>
6467
6468 <listitem>
6469 <para>
6470 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
6471 </para>
6472 </listitem>
6473
6474 <listitem>
6475 <para>
6476 The type for a generic method can be built only from:
6477   <itemizedlist>
6478   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
6479   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
6480   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
6481   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
6482   </itemizedlist>
6483 Here are some example type signatures for generic methods:
6484 <programlisting>
6485     op1 :: a -> Bool
6486     op2 :: Bool -> (a,Bool)
6487     op3 :: [Int] -> a -> a
6488     op4 :: [a] -> Bool
6489 </programlisting>
6490 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
6491 inside a list.  
6492 </para>
6493 <para>
6494 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
6495 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
6496 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
6497 to the ones that are allowed.</para>
6498 </listitem>
6499
6500 <listitem>
6501 <para>
6502 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
6503 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
6504 do so if
6505   <itemizedlist>
6506   <listitem>
6507   <para>
6508   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
6509   </para>
6510   </listitem>
6511   <listitem>
6512   <para>
6513   No constructor of the instance type has unboxed fields.
6514   </para>
6515   </listitem>
6516   </itemizedlist>
6517 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
6518 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
6519 provided you give explicit code to override any generic default methods.
6520 </para>
6521 </listitem>
6522
6523 </itemizedlist>
6524 </para>
6525
6526 <para>
6527 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
6528 what the compiler does with generic declarations.
6529 </para>
6530
6531 </sect2>
6532
6533 <sect2> <title> Another example </title>
6534 <para>
6535 Just to finish with, here's another example I rather like:
6536 <programlisting>
6537   class Tag a where
6538     nCons :: a -> Int
6539     nCons {| Unit |}    _ = 1
6540     nCons {| a :*: b |} _ = 1
6541     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
6542   
6543     tag :: a -> Int
6544     tag {| Unit |}    _       = 1
6545     tag {| a :*: b |} _       = 1   
6546     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
6547     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
6548 </programlisting>
6549 </para>
6550 </sect2>
6551 </sect1>
6552
6553 <sect1 id="monomorphism">
6554 <title>Control over monomorphism</title>
6555
6556 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
6557 carried out at let and where bindings.
6558 </para>
6559
6560 <sect2>
6561 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
6562           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
6563
6564 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
6565 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
6566 4.5.5</ulink>
6567 of the Haskell Report)
6568 can be completely switched off by
6569 <option>-fno-monomorphism-restriction</option>.
6570 </para>
6571 </sect2>
6572
6573 <sect2>
6574 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
6575           <indexterm><primary><option>-fno-mono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6576           <indexterm><primary><option>-fmono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6577
6578           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
6579           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
6580             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
6581             and is not a simple variable.  For example:
6582 <programlisting>
6583   f x = x                    -- Not a pattern binding
6584   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
6585   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
6586
6587   (g,h) = e                  -- A pattern binding
6588   (f) = e                    -- A pattern binding
6589   [x] = e                    -- A pattern binding
6590 </programlisting>
6591 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
6592 default</emphasis>.  Use <option>-fno-mono-pat-binds</option> to recover the
6593 standard behaviour.
6594 </para>
6595 </sect2>
6596 </sect1>
6597
6598
6599
6600 <!-- Emacs stuff:
6601      ;;; Local Variables: ***
6602      ;;; mode: xml ***
6603      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
6604      ;;; End: ***
6605  -->
6606