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