Two small typos in the flags summary (merge to 6.8 branch)
[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 individaully.</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     </variablelist>
294   </sect1>
295
296 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
297 <sect1 id="primitives">
298   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
299
300 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
301 While you really can use this stuff to write fast code,
302   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
303   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
304   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
305   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
306   about it.</para>
307
308 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
309 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
310 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
311 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
312
313 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
314 work over those types, is held in the file
315 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
316 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
317 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
318
319 <para> Indeed,
320 the result of such processing is part of the description of the 
321  <ulink
322       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
323          Core language</ulink>.
324 So that document is a good place to look for a type-set version.
325 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
326 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
327 we could include the results here in the User Guide.</para>
328
329 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
330   
331 <sect2 id="glasgow-unboxed">
332 <title>Unboxed types
333 </title>
334
335 <para>
336 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
337 </para>
338
339 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
340 that values of that type are represented by a pointer to a heap
341 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
342 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
343 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
344 allocation are involved.
345 </para>
346
347 <para>
348 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
349 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
350 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
351 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
352 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
353 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
354 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
355 know and love&mdash;usually one instruction.
356 </para>
357
358 <para>
359 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
360 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
361 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
362 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
363 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
364 </para>
365
366 <para>
367 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
368 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
369 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
370 a primitive value might be represented by a pointer to a
371 heap-allocated object.  Examples include
372 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
373 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
374 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
375 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
376 represents a primitive value, then it really does point to that value:
377 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
378 other end of the pointer than the primitive value.
379 A numerically-intensive program using unboxed types can
380 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
381 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
382 </para>
383
384 <para>
385 There are some restrictions on the use of primitive types:
386 <itemizedlist>
387 <listitem><para>The main restriction
388 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
389 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
390 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
391 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
392 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
393 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
394 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
395 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
396 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
397 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
398 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
399 </para>
400 </listitem>
401 <listitem><para> You cannot define a newtype whose representation type
402 (the argument type of the data constructor) is an unboxed type.  Thus,
403 this is illegal:
404 <programlisting>
405   newtype A = MkA Int#
406 </programlisting>
407 </para></listitem>
408 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
409 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
410 </para></listitem>
411 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
412 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
413 </para></listitem>
414 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
415 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
416 pattern-match
417 to become strict.  For example:
418 <programlisting>
419   data Foo = Foo Int Int#
420
421   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
422 </programlisting>
423 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
424 match
425 is strict, and the program behaves as if you had written
426 <programlisting>
427   data Foo = Foo Int Int#
428
429   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
430 </programlisting>
431 </para>
432 </listitem>
433 </itemizedlist>
434 </para>
435
436 </sect2>
437
438 <sect2 id="unboxed-tuples">
439 <title>Unboxed Tuples
440 </title>
441
442 <para>
443 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
444 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
445 unboxed tuple looks like this:
446 </para>
447
448 <para>
449
450 <programlisting>
451 (# e_1, ..., e_n #)
452 </programlisting>
453
454 </para>
455
456 <para>
457 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
458 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
459 the same.
460 </para>
461
462 <para>
463 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
464 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
465 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
466 components are put directly into registers or on the stack; the
467 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
468 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
469 tuples.
470 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
471 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
472 </para>
473
474 <para>
475 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
476 <itemizedlist>
477 <listitem>
478
479 <para>
480 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
481 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
482 structures or passed to polymorphic functions.
483
484 </para>
485 </listitem>
486 <listitem>
487
488 <para>
489 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
490 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
491
492
493 <programlisting>
494   data Foo = Foo (# Int, Int #)
495
496   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
497   f x = x
498
499   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
500   g (# a,b #) = a
501
502   h x = let y = (# x,x #) in ...
503 </programlisting>
504 </para>
505 </listitem>
506 </itemizedlist>
507 </para>
508 <para>
509 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
510 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
511 <programlisting>
512   f x y = (# x+1, y-1 #)
513   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
514 </programlisting>
515 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
516 <programlisting>
517   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
518 </programlisting>
519 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
520 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
521 above example desugars like this:
522 <programlisting>
523   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
524             p = fst t
525             q = snd t
526         in ..body..
527 </programlisting>
528 Indeed, the bindings can even be recursive.
529 </para>
530
531 </sect2>
532 </sect1>
533
534
535 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
536
537 <sect1 id="syntax-extns">
538 <title>Syntactic extensions</title>
539  
540     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
541
542     <sect2 id="hierarchical-modules">
543       <title>Hierarchical Modules</title>
544
545       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
546       names: a module name is allowed to contain a dot
547       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
548       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
549       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
550       more flexible hierarchy of modules.</para>
551
552       <para>This extension has very little impact on the language
553       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
554       qualified, so you can just think of the fully qualified module
555       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
556       means that the full module name must be given after the
557       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
558       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
559       begin</para>
560
561 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
562
563
564       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
565       keyword to save some typing when using qualified names with
566       hierarchical modules.  For example:</para>
567
568 <programlisting>
569 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
570 </programlisting>
571
572       <para>For details on how GHC searches for source and interface
573       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
574       linkend="search-path"/>.</para>
575
576       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
577       hierarchically; see the accompanying <ulink
578       url="../libraries/index.html">library
579       documentation</ulink>.  More libraries to install are available
580       from <ulink
581       url="http://hackage.haskell.org/packages/hackage.html">HackageDB</ulink>.</para>
582     </sect2>
583
584     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
585
586 <sect2 id="pattern-guards">
587 <title>Pattern guards</title>
588
589 <para>
590 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
591 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.)
592 </para>
593
594 <para>
595 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
596 lookup operation:
597
598 <programlisting>
599 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
600 </programlisting>
601
602 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
603 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
604 </para>
605
606 <programlisting>
607 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
608 | otherwise  = var1 + var2
609 where
610   m1 = lookup env var1
611   m2 = lookup env var2
612   ok1 = maybeToBool m1
613   ok2 = maybeToBool m2
614   val1 = expectJust m1
615   val2 = expectJust m2
616 </programlisting>
617
618 <para>
619 The auxiliary functions are 
620 </para>
621
622 <programlisting>
623 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
624 maybeToBool (Just x) = True
625 maybeToBool Nothing  = False
626
627 expectJust :: Maybe a -&gt; a
628 expectJust (Just x) = x
629 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
630 </programlisting>
631
632 <para>
633 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
634 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
635 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
636 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
637 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
638 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
639 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
640 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
641 </para>
642
643 <para>
644 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
645 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
646 to write clunky would be to use case expressions:
647 </para>
648
649 <programlisting>
650 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
651   Nothing -&gt; fail
652   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
653     Nothing -&gt; fail
654     Just val2 -&gt; val1 + val2
655 where
656   fail = var1 + var2
657 </programlisting>
658
659 <para>
660 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
661 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
662 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
663 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
664 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
665 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
666 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
667 tends to become more and more indented. 
668 </para>
669
670 <para>
671 Here is how I would write clunky:
672 </para>
673
674 <programlisting>
675 clunky env var1 var2
676   | Just val1 &lt;- lookup env var1
677   , Just val2 &lt;- lookup env var2
678   = val1 + val2
679 ...other equations for clunky...
680 </programlisting>
681
682 <para>
683 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
684 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
685 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
686 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
687 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
688 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
689 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
690 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
691 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
692 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
693 </para>
694
695 <para>
696 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
697 with among the pattern guards.  For example:
698 </para>
699
700 <programlisting>
701 f x | [y] &lt;- x
702     , y > 3
703     , Just z &lt;- h y
704     = ...
705 </programlisting>
706
707 <para>
708 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
709 qualifier list has just one element, a boolean expression.
710 </para>
711 </sect2>
712
713     <!-- ===================== View patterns ===================  -->
714
715 <sect2 id="view-patterns">
716 <title>View patterns
717 </title>
718
719 <para>
720 View patterns are enabled by the flag <literal>-XViewPatterns</literal>.
721 More information and examples of view patterns can be found on the
722 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/ViewPatterns">Wiki
723 page</ulink>.
724 </para>
725
726 <para>
727 View patterns are somewhat like pattern guards that can be nested inside
728 of other patterns.  They are a convenient way of pattern-matching
729 against values of abstract types. For example, in a programming language
730 implementation, we might represent the syntax of the types of the
731 language as follows:
732
733 <programlisting>
734 type Typ
735  
736 data TypView = Unit
737              | Arrow Typ Typ
738
739 view :: Type -> TypeView
740
741 -- additional operations for constructing Typ's ...
742 </programlisting>
743
744 The representation of Typ is held abstract, permitting implementations
745 to use a fancy representation (e.g., hash-consing to managage sharing).
746
747 Without view patterns, using this signature a little inconvenient: 
748 <programlisting>
749 size :: Typ -> Integer
750 size t = case view t of
751   Unit -> 1
752   Arrow t1 t2 -> size t1 + size t2
753 </programlisting>
754
755 It is necessary to iterate the case, rather than using an equational
756 function definition. And the situation is even worse when the matching
757 against <literal>t</literal> is buried deep inside another pattern.
758 </para>
759
760 <para>
761 View patterns permit calling the view function inside the pattern and
762 matching against the result: 
763 <programlisting>
764 size (view -> Unit) = 1
765 size (view -> Arrow t1 t2) = size t1 + size t2
766 </programlisting>
767
768 That is, we add a new form of pattern, written
769 <replaceable>expression</replaceable> <literal>-></literal>
770 <replaceable>pattern</replaceable> that means "apply the expression to
771 whatever we're trying to match against, and then match the result of
772 that application against the pattern". The expression can be any Haskell
773 expression of function type, and view patterns can be used wherever
774 patterns are used.
775 </para>
776
777 <para>
778 The semantics of a pattern <literal>(</literal>
779 <replaceable>exp</replaceable> <literal>-></literal>
780 <replaceable>pat</replaceable> <literal>)</literal> are as follows:
781
782 <itemizedlist>
783
784 <listitem> Scoping:
785
786 <para>The variables bound by the view pattern are the variables bound by
787 <replaceable>pat</replaceable>.
788 </para>
789
790 <para>
791 Any variables in <replaceable>exp</replaceable> are bound occurrences,
792 but variables bound "to the left" in a pattern are in scope.  This
793 feature permits, for example, one argument to a function to be used in
794 the view of another argument.  For example, the function
795 <literal>clunky</literal> from <xref linkend="pattern-guards" /> can be
796 written using view patterns as follows:
797
798 <programlisting>
799 clunky env (lookup env -> Just val1) (lookup env -> Just val2) = val1 + val2
800 ...other equations for clunky...
801 </programlisting>
802 </para>
803
804 <para>
805 More precisely, the scoping rules are: 
806 <itemizedlist>
807 <listitem>
808 <para>
809 In a single pattern, variables bound by patterns to the left of a view
810 pattern expression are in scope. For example:
811 <programlisting>
812 example :: Maybe ((String -> Integer,Integer), String) -> Bool
813 example Just ((f,_), f -> 4) = True
814 </programlisting>
815
816 Additionally, in function definitions, variables bound by matching earlier curried
817 arguments may be used in view pattern expressions in later arguments:
818 <programlisting>
819 example :: (String -> Integer) -> String -> Bool
820 example f (f -> 4) = True
821 </programlisting>
822 That is, the scoping is the same as it would be if the curried arguments
823 were collected into a tuple.  
824 </para>
825 </listitem>
826
827 <listitem>
828 <para>
829 In mutually recursive bindings, such as <literal>let</literal>,
830 <literal>where</literal>, or the top level, view patterns in one
831 declaration may not mention variables bound by other declarations.  That
832 is, each declaration must be self-contained.  For example, the following
833 program is not allowed:
834 <programlisting>
835 let {(x -> y) = e1 ;
836      (y -> x) = e2 } in x
837 </programlisting>
838
839 (We may lift this
840 restriction in the future; the only cost is that type checking patterns
841 would get a little more complicated.)  
842
843
844 </para>
845 </listitem>
846 </itemizedlist>
847
848 </para>
849 </listitem>
850
851 <listitem><para> Typing: If <replaceable>exp</replaceable> has type
852 <replaceable>T1</replaceable> <literal>-></literal>
853 <replaceable>T2</replaceable> and <replaceable>pat</replaceable> matches
854 a <replaceable>T2</replaceable>, then the whole view pattern matches a
855 <replaceable>T1</replaceable>.
856 </para></listitem>
857
858 <listitem><para> Matching: To the equations in Section 3.17.3 of the
859 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/">Haskell 98
860 Report</ulink>, add the following:
861 <programlisting>
862 case v of { (e -> p) -> e1 ; _ -> e2 } 
863  = 
864 case (e v) of { p -> e1 ; _ -> e2 }
865 </programlisting>
866 That is, to match a variable <replaceable>v</replaceable> against a pattern
867 <literal>(</literal> <replaceable>exp</replaceable>
868 <literal>-></literal> <replaceable>pat</replaceable>
869 <literal>)</literal>, evaluate <literal>(</literal>
870 <replaceable>exp</replaceable> <replaceable> v</replaceable>
871 <literal>)</literal> and match the result against
872 <replaceable>pat</replaceable>.  
873 </para></listitem>
874
875 <listitem><para> Efficiency: When the same view function is applied in
876 multiple branches of a function definition or a case expression (e.g.,
877 in <literal>size</literal> above), GHC makes an attempt to collect these
878 applications into a single nested case expression, so that the view
879 function is only applied once.  Pattern compilation in GHC follows the
880 matrix algorithm described in Chapter 4 of <ulink
881 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/slpj-book-1987/">The
882 Implementation of Functional Programming Languages</ulink>.  When the
883 top rows of the first column of a matrix are all view patterns with the
884 "same" expression, these patterns are transformed into a single nested
885 case.  This includes, for example, adjacent view patterns that line up
886 in a tuple, as in
887 <programlisting>
888 f ((view -> A, p1), p2) = e1
889 f ((view -> B, p3), p4) = e2
890 </programlisting>
891 </para>
892
893 <para> The current notion of when two view pattern expressions are "the
894 same" is very restricted: it is not even full syntactic equality.
895 However, it does include variables, literals, applications, and tuples;
896 e.g., two instances of <literal>view ("hi", "there")</literal> will be
897 collected.  However, the current implementation does not compare up to
898 alpha-equivalence, so two instances of <literal>(x, view x ->
899 y)</literal> will not be coalesced.
900 </para>
901
902 </listitem>
903
904 </itemizedlist>
905 </para>
906
907 </sect2>
908
909     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
910
911 <sect2 id="mdo-notation">
912 <title>The recursive do-notation
913 </title>
914
915 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
916 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>,
917 by Levent Erkok, John Launchbury,
918 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
919 This paper is essential reading for anyone making non-trivial use of mdo-notation,
920 and we do not repeat it here.
921 </para>
922 <para>
923 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
924 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
925 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
926 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
927 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
928 </para>
929 <para>
930 Here is a simple (yet contrived) example:
931 </para>
932 <programlisting>
933 import Control.Monad.Fix
934
935 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
936                return xs
937 </programlisting>
938 <para>
939 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
940 </para>
941
942 <para>
943 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
944 </para>
945 <programlisting>
946 class Monad m => MonadFix m where
947    mfix :: (a -> m a) -> m a
948 </programlisting>
949 <para>
950 The function <literal>mfix</literal>
951 dictates how the required recursion operation should be performed.  For example, 
952 <literal>justOnes</literal> desugars as follows:
953 <programlisting>
954 justOnes = mfix (\xs' -&gt; do { xs &lt;- Just (1:xs'); return xs }
955 </programlisting>
956 For full details of the way in which mdo is typechecked and desugared, see 
957 the paper <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>.
958 In particular, GHC implements the segmentation technique described in Section 3.2 of the paper.
959 </para>
960 <para>
961 If recursive bindings are required for a monad,
962 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
963 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
964 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
965 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
966 </para>
967 <para>
968 Here are some important points in using the recursive-do notation:
969 <itemizedlist>
970 <listitem><para>
971 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
972 than <literal>do</literal>).
973 </para></listitem>
974
975 <listitem><para>
976 It is enabled with the flag <literal>-XRecursiveDo</literal>, which is in turn implied by
977 <literal>-fglasgow-exts</literal>.
978 </para></listitem>
979
980 <listitem><para>
981 Unlike ordinary do-notation, but like <literal>let</literal> and <literal>where</literal> bindings,
982 name shadowing is not allowed; that is, all the names bound in a single <literal>mdo</literal> must
983 be distinct (Section 3.3 of the paper).
984 </para></listitem>
985
986 <listitem><para>
987 Variables bound by a <literal>let</literal> statement in an <literal>mdo</literal>
988 are monomorphic in the <literal>mdo</literal> (Section 3.1 of the paper).  However
989 GHC breaks the <literal>mdo</literal> into segments to enhance polymorphism,
990 and improve termination (Section 3.2 of the paper).
991 </para></listitem>
992 </itemizedlist>
993 </para>
994
995 <para>
996 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
997 contains up to date information on recursive monadic bindings.
998 </para>
999
1000 <para>
1001 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
1002 of the existing documents) used the name
1003 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
1004 This name is not supported by GHC.
1005 </para>
1006
1007 </sect2>
1008
1009
1010    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
1011
1012   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
1013     <title>Parallel List Comprehensions</title>
1014     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
1015     </indexterm>
1016     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
1017     </indexterm>
1018
1019     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
1020     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
1021     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
1022     extend this to include the zipWith family.</para>
1023
1024     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
1025     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
1026     example, the following zips together two lists:</para>
1027
1028 <programlisting>
1029    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
1030 </programlisting>
1031
1032     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
1033     zip, in that the resulting list will have the same length as the
1034     shortest branch.</para>
1035
1036     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
1037     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
1038
1039     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
1040
1041 <programlisting>
1042    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
1043        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
1044        ... 
1045    ] 
1046 </programlisting>
1047
1048     <para>This will be translated to: </para>
1049
1050 <programlisting>
1051    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
1052                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
1053                                          ... 
1054    ] 
1055 </programlisting>
1056
1057     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
1058     branches.</para>
1059
1060   </sect2>
1061
1062    <!-- ===================== REBINDABLE SYNTAX ===================  -->
1063
1064 <sect2 id="rebindable-syntax">
1065 <title>Rebindable syntax</title>
1066
1067       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
1068       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
1069       with a home-grown version, for example.</para>
1070
1071             <para>You may want to define your own numeric class
1072             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
1073             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
1074             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
1075             So the <option>-XNoImplicitPrelude</option> flag causes
1076             the following pieces of built-in syntax to refer to
1077             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
1078             versions:
1079
1080             <itemizedlist>
1081               <listitem>
1082                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
1083                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
1084                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
1085 </para> </listitem>         
1086
1087       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
1088           except that the translation is 
1089               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
1090 </para> </listitem>         
1091
1092           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
1093               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
1094 </para> </listitem>         
1095
1096           <listitem><para>The subtraction operation, and the
1097           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
1098               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
1099               </para></listitem>
1100
1101               <listitem>
1102                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
1103                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
1104                 patterns, and expressions.
1105               </para></listitem>
1106
1107               <listitem>
1108           <para>"Do" notation is translated using whatever
1109               functions <literal>(>>=)</literal>,
1110               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
1111               are in scope (not the Prelude
1112               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
1113               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
1114
1115               <listitem>
1116                 <para>Arrow
1117                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
1118                 uses whatever <literal>arr</literal>,
1119                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
1120                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
1121                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
1122                 other constructs, the types of these functions must match the
1123                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
1124                 to use this, ask!
1125               </para></listitem>
1126             </itemizedlist>
1127 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
1128 even if that is a little unexpected. For emample, the 
1129 static semantics of the literal <literal>368</literal>
1130 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
1131 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
1132 <programlisting>
1133 fromInteger :: Integer -> Integer
1134 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
1135 fromInteger :: Num a => a -> Integer
1136 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
1137 </programlisting>
1138 </para>
1139                 
1140              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
1141              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
1142              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
1143              you should be all right.</para>
1144
1145 </sect2>
1146
1147 <sect2 id="postfix-operators">
1148 <title>Postfix operators</title>
1149
1150 <para>
1151 GHC allows a small extension to the syntax of left operator sections, which
1152 allows you to define postfix operators.  The extension is this:  the left section
1153 <programlisting>
1154   (e !)
1155 </programlisting>
1156 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
1157 <programlisting>
1158   ((!) e)
1159 </programlisting>
1160 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
1161 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
1162 <programlisting>
1163   (\y -> (!) e y)
1164 </programlisting>
1165 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
1166 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
1167 postfix.
1168 </para>
1169 <para>Since this extension goes beyond Haskell 98, it should really be enabled
1170 by a flag; but in fact it is enabled all the time.  (No Haskell 98 programs
1171 change their behaviour, of course.)
1172 </para>
1173 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
1174 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
1175
1176 </sect2>
1177
1178 <sect2 id="disambiguate-fields">
1179 <title>Record field disambiguation</title>
1180 <para>
1181 In record construction and record pattern matching
1182 it is entirely unambiguous which field is referred to, even if there are two different
1183 data types in scope with a common field name.  For example:
1184 <programlisting>
1185 module M where
1186   data S = MkS { x :: Int, y :: Bool }
1187
1188 module Foo where
1189   import M
1190
1191   data T = MkT { x :: Int }
1192   
1193   ok1 (MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1194
1195   ok2 n = MkT { x = n+1 }     -- Unambiguous
1196
1197   bad1 k = k { x = 3 }  -- Ambiguous
1198   bad2 k = x k          -- Ambiguous
1199 </programlisting>
1200 Even though there are two <literal>x</literal>'s in scope,
1201 it is clear that the <literal>x</literal> in the pattern in the
1202 definition of <literal>ok1</literal> can only mean the field
1203 <literal>x</literal> from type <literal>S</literal>. Similarly for
1204 the function <literal>ok2</literal>.  However, in the record update
1205 in <literal>bad1</literal> and the record selection in <literal>bad2</literal>
1206 it is not clear which of the two types is intended.
1207 </para>
1208 <para>
1209 Haskell 98 regards all four as ambiguous, but with the
1210 <option>-fdisambiguate-record-fields</option> flag, GHC will accept
1211 the former two.  The rules are precisely the same as those for instance
1212 declarations in Haskell 98, where the method names on the left-hand side 
1213 of the method bindings in an instance declaration refer unambiguously
1214 to the method of that class (provided they are in scope at all), even
1215 if there are other variables in scope with the same name.
1216 This reduces the clutter of qualified names when you import two
1217 records from different modules that use the same field name.
1218 </para>
1219 </sect2>
1220
1221     <!-- ===================== Record puns ===================  -->
1222
1223 <sect2 id="record-puns">
1224 <title>Record puns
1225 </title>
1226
1227 <para>
1228 Record puns are enabled by the flag <literal>-XRecordPuns</literal>.
1229 </para>
1230
1231 <para>
1232 When using records, it is common to write a pattern that binds a
1233 variable with the same name as a record field, such as:
1234
1235 <programlisting>
1236 data C = C {a :: Int}
1237 f (C {a = a}) = a
1238 </programlisting>
1239 </para>
1240
1241 <para>
1242 Record punning permits the variable name to be elided, so one can simply
1243 write
1244
1245 <programlisting>
1246 f (C {a}) = a
1247 </programlisting>
1248
1249 to mean the same pattern as above.  That is, in a record pattern, the
1250 pattern <literal>a</literal> expands into the pattern <literal>a =
1251 a</literal> for the same name <literal>a</literal>.  
1252 </para>
1253
1254 <para>
1255 Note that puns and other patterns can be mixed in the same record:
1256 <programlisting>
1257 data C = C {a :: Int, b :: Int}
1258 f (C {a, b = 4}) = a
1259 </programlisting>
1260 and that puns can be used wherever record patterns occur (e.g. in
1261 <literal>let</literal> bindings or at the top-level).  
1262 </para>
1263
1264 <para>
1265 Record punning can also be used in an expression, writing, for example,
1266 <programlisting>
1267 let a = 1 in C {a}
1268 </programlisting>
1269 instead of 
1270 <programlisting>
1271 let a = 1 in C {a = a}
1272 </programlisting>
1273
1274 Note that this expansion is purely syntactic, so the record pun
1275 expression refers to the nearest enclosing variable that is spelled the
1276 same as the field name.
1277 </para>
1278
1279 </sect2>
1280
1281     <!-- ===================== Record wildcards ===================  -->
1282
1283 <sect2 id="record-wildcards">
1284 <title>Record wildcards
1285 </title>
1286
1287 <para>
1288 Record wildcards are enabled by the flag <literal>-XRecordWildCards</literal>.
1289 </para>
1290
1291 <para>
1292 For records with many fields, it can be tiresome to write out each field
1293 individually in a record pattern, as in
1294 <programlisting>
1295 data C = C {a :: Int, b :: Int, c :: Int, d :: Int}
1296 f (C {a = 1, b = b, c = c, d = d}) = b + c + d
1297 </programlisting>
1298 </para>
1299
1300 <para>
1301 Record wildcard syntax permits a (<literal>..</literal>) in a record
1302 pattern, where each elided field <literal>f</literal> is replaced by the
1303 pattern <literal>f = f</literal>.  For example, the above pattern can be
1304 written as
1305 <programlisting>
1306 f (C {a = 1, ..}) = b + c + d
1307 </programlisting>
1308 </para>
1309
1310 <para>
1311 Note that wildcards can be mixed with other patterns, including puns
1312 (<xref linkend="record-puns"/>); for example, in a pattern <literal>C {a
1313 = 1, b, ..})</literal>.  Additionally, record wildcards can be used
1314 wherever record patterns occur, including in <literal>let</literal>
1315 bindings and at the top-level.  For example, the top-level binding
1316 <programlisting>
1317 C {a = 1, ..} = e
1318 </programlisting>
1319 defines <literal>b</literal>, <literal>c</literal>, and
1320 <literal>d</literal>.
1321 </para>
1322
1323 <para>
1324 Record wildcards can also be used in expressions, writing, for example,
1325
1326 <programlisting>
1327 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {..}
1328 </programlisting>
1329
1330 in place of
1331
1332 <programlisting>
1333 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {a=a, b=b, c=c, d=d}
1334 </programlisting>
1335
1336 Note that this expansion is purely syntactic, so the record wildcard
1337 expression refers to the nearest enclosing variables that are spelled
1338 the same as the omitted field names.
1339 </para>
1340
1341 </sect2>
1342
1343     <!-- ===================== Local fixity declarations ===================  -->
1344
1345 <sect2 id="local-fixity-declarations">
1346 <title>Local Fixity Declarations
1347 </title>
1348
1349 <para>A careful reading of the Haskell 98 Report reveals that fixity
1350 declarations (<literal>infix</literal>, <literal>infixl</literal>, and
1351 <literal>infixr</literal>) are permitted to appear inside local bindings
1352 such those introduced by <literal>let</literal> and
1353 <literal>where</literal>.  However, the Haskell Report does not specify
1354 the semantics of such bindings very precisely.
1355 </para>
1356
1357 <para>In GHC, a fixity declaration may accompany a local binding:
1358 <programlisting>
1359 let f = ...
1360     infixr 3 `f`
1361 in 
1362     ...
1363 </programlisting>
1364 and the fixity declaration applies wherever the binding is in scope.
1365 For example, in a <literal>let</literal>, it applies in the right-hand
1366 sides of other <literal>let</literal>-bindings and the body of the
1367 <literal>let</literal>C. Or, in recursive <literal>do</literal>
1368 expressions (<xref linkend="mdo-notation"/>), the local fixity
1369 declarations of aA <literal>let</literal> statement scope over other
1370 statements in the group, just as the bound name does.
1371 </para>
1372
1373 Moreover, a local fixity declatation *must* accompany a local binding of
1374 that name: it is not possible to revise the fixity of name bound
1375 elsewhere, as in
1376 <programlisting>
1377 let infixr 9 $ in ...
1378 </programlisting>
1379
1380 Because local fixity declarations are technically Haskell 98, no flag is
1381 necessary to enable them.
1382 </sect2>
1383
1384 </sect1>
1385
1386
1387 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
1388 <sect1 id="data-type-extensions">
1389 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
1390
1391 <sect2 id="nullary-types">
1392 <title>Data types with no constructors</title>
1393
1394 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
1395 a data type with no constructors.  For example:</para>
1396
1397 <programlisting>
1398   data S      -- S :: *
1399   data T a    -- T :: * -> *
1400 </programlisting>
1401
1402 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
1403 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
1404 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
1405 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
1406
1407 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
1408 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
1409 </sect2>
1410
1411 <sect2 id="infix-tycons">
1412 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
1413
1414 <para>
1415 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
1416 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
1417 <itemizedlist>
1418 <listitem><para>
1419   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
1420   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
1421   </para></listitem>
1422 <listitem><para>
1423   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
1424   if you want further arguments.  E.g.
1425 <screen>
1426   data a :*: b = Foo a b
1427   type a :+: b = Either a b
1428   class a :=: b where ...
1429
1430   data (a :**: b) x = Baz a b x
1431   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
1432 </screen>
1433   </para></listitem>
1434 <listitem><para>
1435   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
1436   <screen>
1437         x :: Int :*: Bool
1438         f :: (a :=: b) => a -> b
1439   </screen>
1440   </para></listitem>
1441 <listitem><para>
1442   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1443   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1444   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1445   parenthesised.  For example:
1446 <programlisting>
1447    type T (+) = Int + Int
1448    f :: T Either
1449    f = Left 3
1450  
1451    liftA2 :: Arrow (~>)
1452           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1453    liftA2 = ...
1454 </programlisting>
1455   </para></listitem>
1456 <listitem><para>
1457   Back-quotes work
1458   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1459   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1460   </para></listitem>
1461 <listitem><para>
1462   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1463   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1464   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1465 <screen>
1466   infixl 7 T, :*:
1467 </screen>
1468   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1469   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1470   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1471   </para></listitem>
1472 <listitem><para>
1473   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1474   </para></listitem>
1475
1476 </itemizedlist>
1477 </para>
1478 </sect2>
1479
1480 <sect2 id="type-synonyms">
1481 <title>Liberalised type synonyms</title>
1482
1483 <para>
1484 Type synonyms are like macros at the type level, and
1485 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1486 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1487 <itemizedlist>
1488 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1489 in a type synonym, thus:
1490 <programlisting>
1491   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1492
1493   f :: Discard a
1494   f x y = (x, show y)
1495
1496   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1497   g f = f 3 True
1498 </programlisting>
1499 </para>
1500 </listitem>
1501
1502 <listitem><para>
1503 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1504 <programlisting>
1505   type Pr = (# Int, Int #)
1506
1507   h :: Int -> Pr
1508   h x = (# x, x #)
1509 </programlisting>
1510 </para></listitem>
1511
1512 <listitem><para>
1513 You can apply a type synonym to a forall type:
1514 <programlisting>
1515   type Foo a = a -> a -> Bool
1516  
1517   f :: Foo (forall b. b->b)
1518 </programlisting>
1519 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1520 <programlisting>
1521   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1522 </programlisting>
1523 </para></listitem>
1524
1525 <listitem><para>
1526 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1527 <programlisting>
1528   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1529   type Id x = x
1530   
1531   foo :: Generic Id []
1532 </programlisting>
1533 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1534 <programlisting>
1535   foo :: forall x. x -> [x]
1536 </programlisting>
1537 </para></listitem>
1538
1539 </itemizedlist>
1540 </para>
1541
1542 <para>
1543 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1544 could be changed.)
1545 </para>
1546 <para>
1547 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1548 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1549 <itemizedlist>
1550 <listitem><para>
1551 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1552 </para></listitem>
1553 <listitem><para>
1554 Unboxed tuple on left of an arrow.
1555 </para></listitem>
1556 <listitem><para>
1557 Partially-applied type synonym.
1558 </para></listitem>
1559 </itemizedlist>
1560 So, for example,
1561 this will be rejected:
1562 <programlisting>
1563   type Pr = (# Int, Int #)
1564
1565   h :: Pr -> Int
1566   h x = ...
1567 </programlisting>
1568 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1569 </para>
1570 </sect2>
1571
1572
1573 <sect2 id="existential-quantification">
1574 <title>Existentially quantified data constructors
1575 </title>
1576
1577 <para>
1578 The idea of using existential quantification in data type declarations
1579 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1580 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1581 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1582 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1583 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1584 It's been in Lennart
1585 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1586 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1587 </para>
1588
1589 <para>
1590
1591 <programlisting>
1592   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1593            | Nil
1594 </programlisting>
1595
1596 </para>
1597
1598 <para>
1599 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1600 </para>
1601
1602 <para>
1603
1604 <programlisting>
1605   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1606   Nil   :: Foo
1607 </programlisting>
1608
1609 </para>
1610
1611 <para>
1612 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1613 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1614 For example, the following expression is fine:
1615 </para>
1616
1617 <para>
1618
1619 <programlisting>
1620   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1621 </programlisting>
1622
1623 </para>
1624
1625 <para>
1626 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1627 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1628 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1629 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1630 </para>
1631
1632 <para>
1633 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1634 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1635 </para>
1636
1637 <para>
1638
1639 <programlisting>
1640   f (MkFoo val fn) = ???
1641 </programlisting>
1642
1643 </para>
1644
1645 <para>
1646 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1647 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1648 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1649 </para>
1650
1651 <para>
1652
1653 <programlisting>
1654   f :: Foo -> Bool
1655   f (MkFoo val fn) = fn val
1656 </programlisting>
1657
1658 </para>
1659
1660 <para>
1661 What this allows us to do is to package heterogenous values
1662 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1663 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1664 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1665 </para>
1666
1667 <sect3 id="existential">
1668 <title>Why existential?
1669 </title>
1670
1671 <para>
1672 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1673 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1674 </para>
1675
1676 <para>
1677
1678 <programlisting>
1679   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1680 </programlisting>
1681
1682 </para>
1683
1684 <para>
1685 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1686 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1687 adding a new existential quantification construct.
1688 </para>
1689
1690 </sect3>
1691
1692 <sect3 id="existential-with-context">
1693 <title>Existentials and type classes</title>
1694
1695 <para>
1696 An easy extension is to allow
1697 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1698 </para>
1699
1700 <para>
1701
1702 <programlisting>
1703 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1704          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1705 </programlisting>
1706
1707 </para>
1708
1709 <para>
1710 The two constructors have the types you'd expect:
1711 </para>
1712
1713 <para>
1714
1715 <programlisting>
1716 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1717 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1718 </programlisting>
1719
1720 </para>
1721
1722 <para>
1723 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1724 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1725 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1726 So this program is legal:
1727 </para>
1728
1729 <para>
1730
1731 <programlisting>
1732   f :: Baz -> String
1733   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1734                | otherwise = "No"
1735   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1736 </programlisting>
1737
1738 </para>
1739
1740 <para>
1741 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1742 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1743 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1744 extract it on pattern matching.
1745 </para>
1746
1747 </sect3>
1748
1749 <sect3 id="existential-records">
1750 <title>Record Constructors</title>
1751
1752 <para>
1753 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1754
1755 <programlisting>
1756 data Counter a = forall self. NewCounter
1757     { _this    :: self
1758     , _inc     :: self -> self
1759     , _display :: self -> IO ()
1760     , tag      :: a
1761     }
1762 </programlisting>
1763 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1764 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1765 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1766 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
1767 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1768 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1769 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1770 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1771 </para>
1772
1773 <para>
1774 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1775
1776 <programlisting>
1777 inc :: Counter a -> Counter a
1778 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1779     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1780
1781 display :: Counter a -> IO ()
1782 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1783 </programlisting>
1784
1785 Now we can define counters with different underlying implementations:
1786
1787 <programlisting>
1788 counterA :: Counter String 
1789 counterA = NewCounter
1790     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1791
1792 counterB :: Counter String 
1793 counterB = NewCounter
1794     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1795
1796 main = do
1797     display (inc counterA)         -- prints "1"
1798     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1799 </programlisting>
1800
1801 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1802 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1803
1804 <programlisting>
1805 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1806 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1807 setTag obj t = obj{ tag = t }
1808 </programlisting>
1809
1810 </para>
1811
1812 </sect3>
1813
1814
1815 <sect3>
1816 <title>Restrictions</title>
1817
1818 <para>
1819 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1820 constructors can be use.
1821 </para>
1822
1823 <para>
1824
1825 <itemizedlist>
1826 <listitem>
1827
1828 <para>
1829  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1830 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1831 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1832 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1833
1834
1835 <programlisting>
1836 f1 (MkFoo a f) = a
1837 </programlisting>
1838
1839
1840 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1841 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1842 ask what type <function>f1</function> has:
1843
1844
1845 <programlisting>
1846   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1847 </programlisting>
1848
1849
1850 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1851 this:
1852
1853
1854 <programlisting>
1855   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1856 </programlisting>
1857
1858
1859 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1860
1861
1862 <programlisting>
1863   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1864 </programlisting>
1865
1866
1867 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1868 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1869 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1870
1871
1872 </para>
1873 </listitem>
1874 <listitem>
1875
1876 <para>
1877 You can't pattern-match on an existentially quantified
1878 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1879 bindings. So this is illegal:
1880
1881
1882 <programlisting>
1883   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1884 </programlisting>
1885
1886 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1887
1888 <programlisting>
1889   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1890 </programlisting>
1891
1892 In general, you can only pattern-match
1893 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1894 in the patterns of a function definition.
1895
1896 The reason for this restriction is really an implementation one.
1897 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1898 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1899 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1900 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1901 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1902 annoying it is.
1903
1904 </para>
1905 </listitem>
1906 <listitem>
1907
1908 <para>
1909 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1910 declarations.  So this is illegal:
1911
1912
1913 <programlisting>
1914   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1915 </programlisting>
1916
1917
1918 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1919 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1920 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1921 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1922 You can get just the same efficiency and effect by using
1923 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1924 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1925 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1926 because the <literal>data</literal> version does carry an
1927 implementation cost, but single-field existentially quantified
1928 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1929 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1930 are convincing reasons to change it.
1931
1932
1933 </para>
1934 </listitem>
1935 <listitem>
1936
1937 <para>
1938  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1939 data type with existentially quantified data constructors.
1940
1941 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
1942
1943 <programlisting>
1944 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1945 </programlisting>
1946
1947 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1948 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1949
1950 <programlisting>
1951 instance Eq T where
1952   (MkT a) == (MkT b) = ???
1953 </programlisting>
1954
1955 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1956 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1957 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1958 declarations.  Define your own instances!
1959 </para>
1960 </listitem>
1961
1962 </itemizedlist>
1963
1964 </para>
1965
1966 </sect3>
1967 </sect2>
1968
1969 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
1970
1971 <sect2 id="gadt-style">
1972 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
1973
1974 <para>GHC allows you to declare an algebraic data type by 
1975 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
1976 <programlisting>
1977   data Maybe a where
1978       Nothing :: Maybe a
1979       Just    :: a -> Maybe a
1980 </programlisting>
1981 The form is called a "GADT-style declaration"
1982 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
1983 can only be declared using this form.</para>
1984 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
1985 For example, these two declarations are equivalent:
1986 <programlisting>
1987   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1988   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
1989 </programlisting>
1990 </para>
1991 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
1992 can also be declared using GADT-style syntax.
1993 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
1994 they treat class constraints on the data constructors differently.
1995 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
1996 context is made available by pattern matching.  For example:
1997 <programlisting>
1998   data Set a where
1999     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
2000
2001   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
2002   makeSet xs = MkSet (nub xs)
2003
2004   insert :: a -> Set a -> Set a
2005   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
2006                       | otherwise   = MkSet (a:as)
2007 </programlisting>
2008 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
2009 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
2010 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
2011 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
2012 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
2013 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
2014 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
2015 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
2016 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
2017 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
2018 </para>
2019 <para>
2020 For example, one possible application is to reify dictionaries:
2021 <programlisting>
2022    data NumInst a where
2023      MkNumInst :: Num a => NumInst a
2024
2025    intInst :: NumInst Int
2026    intInst = MkNumInst
2027
2028    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
2029    plus MkNumInst p q = p + q
2030 </programlisting>
2031 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
2032 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
2033 </para>
2034 <para>
2035 All this applies to constructors declared using the syntax of <xref linkend="existential-with-context"/>.
2036 For example, the <literal>NumInst</literal> data type above could equivalently be declared 
2037 like this:
2038 <programlisting>
2039    data NumInst a 
2040       = Num a => MkNumInst (NumInst a)
2041 </programlisting>
2042 Notice that, unlike the situation when declaring an existental, there is 
2043 no <literal>forall</literal>, because the <literal>Num</literal> constrains the
2044 data type's univerally quantified type variable <literal>a</literal>.  
2045 A constructor may have both universal and existential type variables: for example,
2046 the following two declarations are equivalent:
2047 <programlisting>
2048    data T1 a 
2049         = forall b. (Num a, Eq b) => MkT1 a b
2050    data T2 a where
2051         MkT2 :: (Num a, Eq b) => a -> b -> T2 a
2052 </programlisting>
2053 </para>
2054 <para>All this behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treatment of 
2055 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
2056 In Haskell 98 the definition
2057 <programlisting>
2058   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
2059 </programlisting>
2060 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
2061 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
2062 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
2063 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
2064 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.
2065 </para>
2066
2067 <para>
2068 The rest of this section gives further details about GADT-style data
2069 type declarations.
2070
2071 <itemizedlist>
2072 <listitem><para>
2073 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
2074 If the result type of all constructors 
2075 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
2076 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
2077 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
2078 </para></listitem>
2079
2080 <listitem><para>
2081 The type signature of
2082 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
2083 Different constructors may have different universally-quantified type variables
2084 and different type-class constraints.  
2085 For example, this is fine:
2086 <programlisting>
2087   data T a where
2088     T1 :: Eq b => b -> T b
2089     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
2090 </programlisting>
2091 </para></listitem>
2092
2093 <listitem><para>
2094 Unlike a Haskell-98-style 
2095 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
2096 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
2097 <programlisting>
2098   data Set :: * -> * where ...
2099 </programlisting>
2100 or even a mixture of the two:
2101 <programlisting>
2102   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
2103 </programlisting>
2104 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
2105 like this:
2106 <programlisting>
2107   data Foo a (b :: * -> *) where ...
2108 </programlisting>
2109 </para></listitem>
2110
2111
2112 <listitem><para>
2113 You can use strictness annotations, in the obvious places
2114 in the constructor type:
2115 <programlisting>
2116   data Term a where
2117       Lit    :: !Int -> Term Int
2118       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
2119       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2120 </programlisting>
2121 </para></listitem>
2122
2123 <listitem><para>
2124 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
2125 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
2126 <programlisting>
2127   data Maybe1 a where {
2128       Nothing1 :: Maybe1 a ;
2129       Just1    :: a -> Maybe1 a
2130     } deriving( Eq, Ord )
2131
2132   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
2133        deriving( Eq, Ord )
2134 </programlisting>
2135 </para></listitem>
2136
2137 <listitem><para>
2138 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
2139
2140 <programlisting>
2141   data Person where
2142       Adult { name :: String, children :: [Person] } :: Person
2143       Child { name :: String } :: Person
2144 </programlisting>
2145 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
2146 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
2147 </para>
2148 <para>
2149 At the moment, record updates are not yet possible with GADT-style declarations, 
2150 so support is limited to record construction, selection and pattern matching.
2151 For example
2152 <programlisting>
2153   aPerson = Adult { name = "Fred", children = [] }
2154
2155   shortName :: Person -> Bool
2156   hasChildren (Adult { children = kids }) = not (null kids)
2157   hasChildren (Child {})                  = False
2158 </programlisting>
2159 </para></listitem>
2160
2161 <listitem><para> 
2162 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
2163 (<xref linkend="existential-records"/>),
2164 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
2165 selectors.  
2166 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
2167 <programlisting>
2168 data Counter a where
2169     NewCounter { _this    :: self
2170                , _inc     :: self -> self
2171                , _display :: self -> IO ()
2172                , tag      :: a
2173                }
2174         :: Counter a
2175 </programlisting>
2176 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
2177 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
2178 </para></listitem>
2179 </itemizedlist></para>
2180 </sect2>
2181
2182 <sect2 id="gadt">
2183 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
2184
2185 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
2186 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
2187 <programlisting>
2188   data Term a where
2189       Lit    :: Int -> Term Int
2190       Succ   :: Term Int -> Term Int
2191       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
2192       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
2193       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2194 </programlisting>
2195 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
2196 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
2197 write a well-typed <literal>eval</literal> function
2198 for these <literal>Terms</literal>:
2199 <programlisting>
2200   eval :: Term a -> a
2201   eval (Lit i)      = i
2202   eval (Succ t)     = 1 + eval t
2203   eval (IsZero t)   = eval t == 0
2204   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
2205   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
2206 </programlisting>
2207 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
2208 For example, in the right hand side of the equation
2209 <programlisting>
2210   eval :: Term a -> a
2211   eval (Lit i) =  ...
2212 </programlisting>
2213 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
2214 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
2215 but the design closely follows that described in
2216 the paper <ulink
2217 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/index.htm">Simple
2218 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
2219 (ICFP 2006).
2220 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
2221 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
2222 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
2223 and lots of obscure error messages will
2224 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
2225 <programlisting>
2226   eval :: Term a -> a -> a
2227   eval (Lit i) j =  i+j
2228 </programlisting>
2229 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
2230 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
2231 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
2232 </para>
2233 <para>
2234 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
2235 Tim Sheard. There is a longer introduction
2236 <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
2237 and Ralf Hinze's
2238 <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
2239 may use different notation to that implemented in GHC.
2240 </para>
2241 <para>
2242 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs.   The extension is enabled with 
2243 <option>-XGADTs</option>.
2244 <itemizedlist>
2245 <listitem><para>
2246 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
2247 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
2248 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
2249 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
2250 For example, in the <literal>Term</literal> data
2251 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
2252 the <literal>ty</literal> may not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
2253 constructor).
2254 </para></listitem>
2255
2256 <listitem><para>
2257 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
2258 an ordinary data type.
2259 </para></listitem>
2260
2261 <listitem><para>
2262 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
2263 For example:
2264 <programlisting>
2265   data Term a where
2266       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
2267       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
2268       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
2269       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
2270       Pair   { arg1 :: Term a
2271              , arg2 :: Term b
2272              }                    :: Term (a,b)
2273       If     { cnd  :: Term Bool
2274              , tru  :: Term a
2275              , fls  :: Term a
2276              }                    :: Term a
2277 </programlisting>
2278 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
2279 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
2280 the same result type (modulo alpha conversion)
2281 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
2282 and <literal>arg</literal> fields above into a 
2283 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
2284 their selector functions actually have different types:
2285
2286 <programlisting>
2287   num :: Term Int -> Term Int
2288   arg :: Term Bool -> Term Int
2289 </programlisting>
2290 </para></listitem>
2291
2292 </itemizedlist>
2293 </para>
2294
2295 </sect2>
2296 </sect1>
2297
2298 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
2299
2300 <sect1 id="deriving">
2301 <title>Extensions to the "deriving" mechanism</title>
2302
2303 <sect2 id="deriving-inferred">
2304 <title>Inferred context for deriving clauses</title>
2305
2306 <para>
2307 The Haskell Report is vague about exactly when a <literal>deriving</literal> clause is
2308 legal.  For example:
2309 <programlisting>
2310   data T0 f a = MkT0 a         deriving( Eq )
2311   data T1 f a = MkT1 (f a)     deriving( Eq )
2312   data T2 f a = MkT2 (f (f a)) deriving( Eq )
2313 </programlisting>
2314 The natural generated <literal>Eq</literal> code would result in these instance declarations:
2315 <programlisting>
2316   instance Eq a         => Eq (T0 f a) where ...
2317   instance Eq (f a)     => Eq (T1 f a) where ...
2318   instance Eq (f (f a)) => Eq (T2 f a) where ...
2319 </programlisting>
2320 The first of these is obviously fine. The second is still fine, although less obviously. 
2321 The third is not Haskell 98, and risks losing termination of instances.
2322 </para>
2323 <para>
2324 GHC takes a conservative position: it accepts the first two, but not the third.  The  rule is this:
2325 each constraint in the inferred instance context must consist only of type variables, 
2326 with no repetitions.
2327 </para>
2328 <para>
2329 This rule is applied regardless of flags.  If you want a more exotic context, you can write
2330 it yourself, using the <link linkend="stand-alone-deriving">standalone deriving mechanism</link>.
2331 </para>
2332 </sect2>
2333
2334 <sect2 id="stand-alone-deriving">
2335 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
2336
2337 <para>
2338 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-XStandaloneDeriving</literal>:
2339 <programlisting>
2340   data Foo a = Bar a | Baz String
2341
2342   deriving instance Eq a => Eq (Foo a)
2343 </programlisting>
2344 The syntax is identical to that of an ordinary instance declaration apart from (a) the keyword
2345 <literal>deriving</literal>, and (b) the absence of the <literal>where</literal> part.
2346 You must supply a context (in the example the context is <literal>(Eq a)</literal>), 
2347 exactly as you would in an ordinary instance declaration.
2348 (In contrast the context is inferred in a <literal>deriving</literal> clause 
2349 attached to a data type declaration.) These <literal>deriving instance</literal>
2350 rules obey the same rules concerning form and termination as ordinary instance declarations,
2351 controlled by the same flags; see <xref linkend="instance-decls"/>. </para>
2352
2353 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
2354 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
2355 For example:
2356 <programlisting>
2357   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
2358
2359   deriving instance MonadState Int Foo
2360 </programlisting>
2361 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
2362 (<literal>Foo</literal> in this example) as the type whose instance is being derived.
2363 </para>
2364
2365 </sect2>
2366
2367
2368 <sect2 id="deriving-typeable">
2369 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
2370
2371 <para>
2372 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
2373 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
2374 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
2375 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
2376 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
2377 </para>
2378 <para>
2379 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
2380 (provided the <option>-XDeriveDataTypeable</option> flag is specified):
2381 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
2382 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
2383 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
2384 </para>
2385 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
2386 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
2387 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
2388 described in
2389 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
2390 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
2391 </ulink>.
2392 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
2393 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
2394 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
2395 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
2396 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
2397 then writing the data type instance by hand.
2398 </para>
2399 </sect2>
2400
2401 <sect2 id="newtype-deriving">
2402 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2403
2404 <para>
2405 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2406 the new type to inherit some instances from its representation. In
2407 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2408 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2409 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2410 example, if you define
2411
2412 <programlisting>
2413   newtype Dollars = Dollars Int 
2414 </programlisting>
2415
2416 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2417 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2418
2419 <programlisting>
2420   instance Num Dollars where
2421     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2422     ...
2423 </programlisting>
2424 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
2425 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
2426 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
2427 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
2428 dictionary, only slower!
2429 </para>
2430
2431
2432 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
2433 <para>
2434 GHC now permits such instances to be derived instead, 
2435 using the flag <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
2436 so one can write 
2437 <programlisting>
2438   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
2439 </programlisting>
2440
2441 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
2442 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
2443 derives an instance declaration of the form
2444
2445 <programlisting>
2446   instance Num Int => Num Dollars
2447 </programlisting>
2448
2449 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
2450 </para>
2451 <para>
2452
2453 We can also derive instances of constructor classes in a similar
2454 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
2455 transformers, such that
2456
2457 <programlisting>
2458   instance Monad m => Monad (State s m) 
2459   instance Monad m => Monad (Failure m)
2460 </programlisting>
2461 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
2462 <programlisting>
2463   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
2464 </programlisting>
2465
2466 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
2467 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
2468 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
2469
2470 <programlisting>
2471   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2472                          deriving Monad
2473 </programlisting>
2474 In this case the derived instance declaration is of the form 
2475 <programlisting>
2476   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
2477 </programlisting>
2478
2479 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
2480 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
2481 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
2482 "eta-converted" to generate the context of the instance
2483 declaration.
2484 </para>
2485 <para>
2486
2487 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
2488 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
2489 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
2490 clause. For example, given the class
2491
2492 <programlisting>
2493   class StateMonad s m | m -> s where ... 
2494   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
2495 </programlisting>
2496 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
2497 <programlisting>
2498   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
2499                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
2500 </programlisting>
2501
2502 The derived instance is obtained by completing the application of the
2503 class to the new type:
2504
2505 <programlisting>
2506   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
2507            StateMonad [tok] (Parser tok m)
2508 </programlisting>
2509 </para>
2510 <para>
2511
2512 As a result of this extension, all derived instances in newtype
2513  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
2514 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
2515 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
2516 the newtype and its representation.
2517 </para>
2518 </sect3>
2519
2520 <sect3> <title> A more precise specification </title>
2521 <para>
2522 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
2523 declaration (after expansion of any type synonyms)
2524
2525 <programlisting>
2526   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
2527 </programlisting>
2528
2529 where 
2530  <itemizedlist>
2531 <listitem><para>
2532   The <literal>ci</literal> are partial applications of
2533   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
2534   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
2535 </para></listitem>
2536 <listitem><para>
2537   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
2538 </para></listitem>
2539 <listitem><para>
2540   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
2541 </para></listitem>
2542 <listitem><para>
2543   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
2544   nor in the <literal>ci</literal>, and
2545 </para></listitem>
2546 <listitem><para>
2547   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
2548                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
2549                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
2550                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
2551                 via this new mechanism.  
2552 </para></listitem>
2553 </itemizedlist>
2554 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
2555 declaration is:
2556 <programlisting>
2557   instance ci t => ci (T v1...vk)
2558 </programlisting>
2559 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
2560 <programlisting>
2561   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
2562 </programlisting>
2563 Here we cannot derive the instance 
2564 <programlisting>
2565   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
2566 </programlisting>
2567
2568 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
2569 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
2570 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
2571 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
2572 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
2573 </para>
2574 <para>
2575
2576 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
2577 important, since we can only derive instances for the last one. If the
2578 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
2579
2580 <programlisting>
2581   class StateMonad m s | m -> s where ... 
2582 </programlisting>
2583
2584 then we would not have been able to derive an instance for the
2585 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
2586 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
2587 instances is most interesting.
2588 </para>
2589 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
2590 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
2591 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
2592 4.3.3. of the Haskell Report).
2593 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2594 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
2595 the standard method is used or the one described here.)
2596 </para>
2597 </sect3>
2598 </sect2>
2599 </sect1>
2600
2601
2602 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
2603 <sect1 id="type-class-extensions">
2604 <title>Class and instances declarations</title>
2605
2606 <sect2 id="multi-param-type-classes">
2607 <title>Class declarations</title>
2608
2609 <para>
2610 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
2611 There's lots of background in the paper <ulink
2612 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
2613 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
2614 Jones, Erik Meijer).
2615 </para>
2616 <para>
2617 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
2618 </para>
2619
2620 <sect3>
2621 <title>Multi-parameter type classes</title>
2622 <para>
2623 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
2624
2625
2626 <programlisting>
2627   class Collection c a where
2628     union :: c a -> c a -> c a
2629     ...etc.
2630 </programlisting>
2631
2632 </para>
2633 </sect3>
2634
2635 <sect3>
2636 <title>The superclasses of a class declaration</title>
2637
2638 <para>
2639 There are no restrictions on the context in a class declaration
2640 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
2641 be acyclic.  So these class declarations are OK:
2642
2643
2644 <programlisting>
2645   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
2646     ...
2647
2648   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
2649     lift :: m a -> (t m) a
2650 </programlisting>
2651
2652
2653 </para>
2654 <para>
2655 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
2656 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
2657 this is OK:
2658
2659
2660 <programlisting>
2661   class C a where {
2662     op :: D b => a -> b -> b
2663   }
2664
2665   class C a => D a where { ... }
2666 </programlisting>
2667
2668
2669 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
2670 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
2671 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
2672 </para>
2673 </sect3>
2674
2675
2676
2677
2678 <sect3 id="class-method-types">
2679 <title>Class method types</title>
2680
2681 <para>
2682 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
2683 class type variable, thus:
2684 <programlisting>
2685   class Seq s a where
2686     fromList :: [a] -> s a
2687     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
2688 </programlisting>
2689 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
2690 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
2691 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
2692 GHC lifts this restriction (flag <option>-XConstrainedClassMethods</option>).
2693 </para>
2694
2695
2696 </sect3>
2697 </sect2>
2698
2699 <sect2 id="functional-dependencies">
2700 <title>Functional dependencies
2701 </title>
2702
2703 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
2704 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
2705 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
2706 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
2707 .
2708 </para>
2709 <para>
2710 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
2711 class declaration;  e.g. 
2712 <programlisting>
2713   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
2714
2715   class Foo a b c | a b -> c where ...
2716 </programlisting>
2717 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
2718 </para>
2719
2720 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
2721 <para>
2722 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
2723 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
2724 from the free variables of each method type.
2725 For example:
2726
2727 <programlisting>
2728   class Coll s a where
2729     empty  :: s
2730     insert :: s -> a -> s
2731 </programlisting>
2732
2733 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
2734 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
2735 reachable:
2736 <programlisting>
2737   class Coll s a | s -> a where
2738     empty  :: s
2739     insert :: s -> a -> s
2740 </programlisting>
2741
2742 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
2743
2744 <programlisting>
2745   class Coll s a where
2746     empty  :: s a
2747     insert :: s a -> a -> s a
2748 </programlisting>
2749
2750
2751 which makes the connection between the type of a collection of
2752 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
2753 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
2754 class like this:
2755
2756
2757 <programlisting>
2758   class CollE s where
2759     empty  :: s
2760
2761   class CollE s => Coll s a where
2762     insert :: s -> a -> s
2763 </programlisting>
2764 </para>
2765 </sect3>
2766
2767
2768 <sect3>
2769 <title>Background on functional dependencies</title>
2770
2771 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
2772 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
2773 permission of Mark Jones.
2774 </para>
2775 <para> 
2776 Consider the following class, intended as part of a
2777 library for collection types:
2778 <programlisting>
2779    class Collects e ce where
2780        empty  :: ce
2781        insert :: e -> ce -> ce
2782        member :: e -> ce -> Bool
2783 </programlisting>
2784 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
2785 of the container itself. Within this framework, we might want to define
2786 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
2787 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
2788 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
2789 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
2790 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
2791 <programlisting>
2792    instance Eq e => Collects e [e] where ...
2793    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
2794    instance Collects Char BitSet where ...
2795    instance (Hashable e, Collects a ce)
2796               => Collects e (Array Int ce) where ...
2797 </programlisting>
2798 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
2799 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
2800 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
2801 <programlisting>
2802    empty :: Collects e ce => ce
2803 </programlisting>
2804 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
2805 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
2806 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
2807 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
2808 type.
2809 </para>
2810 <para>
2811 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
2812 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
2813 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
2814 them. For example, consider the following two functions: 
2815 <programlisting>
2816    f x y = insert x . insert y
2817    g     = f True 'a'
2818 </programlisting>
2819 for which GHC infers the following types: 
2820 <programlisting>
2821    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
2822    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
2823 </programlisting>
2824 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
2825 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
2826 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
2827 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
2828 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
2829 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
2830 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
2831 might even be in a different module.
2832 </para>
2833
2834 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
2835
2836 <para>
2837 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
2838 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
2839 <programlisting>
2840    class Collects e c where
2841       empty  :: c e
2842       insert :: e -> c e -> c e
2843       member :: e -> c e -> Bool
2844 </programlisting>
2845 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
2846 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
2847 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
2848 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
2849 e</literal>, which is not ambiguous. 
2850 </para>
2851 <para>
2852 The function f from the previous section has a more accurate type: 
2853 <programlisting>
2854    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
2855 </programlisting>
2856 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
2857 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
2858 different types. 
2859 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
2860 quite well in practice, without ambiguity problems.
2861 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
2862 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
2863 for <literal>Collects</literal>
2864 given above can be used with this version of Collects because only one of
2865 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
2866 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
2867 </para>
2868 </sect4>
2869
2870 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
2871
2872 <para>
2873 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
2874 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
2875 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
2876 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
2877 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
2878 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
2879 later framework for "improvement" of qualified types. The
2880 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
2881 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
2882 general design space for systems of implicit parameterization.).
2883
2884 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
2885 <programlisting>
2886    class C a b where ...
2887 </programlisting>
2888 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
2889 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
2890 included in the definition of classes to add information about dependencies
2891 between parameters, as in the following examples: 
2892 <programlisting>
2893    class D a b | a -> b where ...
2894    class E a b | a -> b, b -> a where ...
2895 </programlisting>
2896 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
2897 symbols --- not to be
2898 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
2899 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
2900 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
2901 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
2902 represents a (partial) one-one mapping between types.
2903 </para>
2904 <para>
2905 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
2906 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
2907 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
2908 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
2909 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
2910 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
2911 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
2912 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
2913 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
2914 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
2915 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
2916 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
2917 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
2918 <literal>a-&gt;b</literal>, 
2919  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
2920 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
2921 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
2922 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
2923 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
2924 unchanged.
2925 </para>
2926 <para>
2927 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
2928 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
2929 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
2930 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
2931 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
2932 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
2933 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
2934 <programlisting>
2935    instance D Bool Int where ...
2936    instance D Bool Char where ...
2937 </programlisting>
2938 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
2939 <programlisting>
2940    instance D [a] b where ...
2941 </programlisting>
2942 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
2943 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
2944 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
2945 in any instance of the form: 
2946 <programlisting>
2947    instance D t s where ...
2948 </programlisting>
2949 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
2950 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
2951 uniquely determined.
2952 </para>
2953 <para>
2954 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
2955 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
2956 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
2957 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
2958 with a simple dependency: 
2959 <programlisting>
2960    class Collects e ce | ce -> e where
2961       empty  :: ce
2962       insert :: e -> ce -> ce
2963       member :: e -> ce -> Bool
2964 </programlisting>
2965 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
2966 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
2967 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
2968 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
2969 together with this new definition.
2970 </para>
2971 <para>
2972 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
2973 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
2974 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
2975 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
2976 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
2977 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
2978 give enough information to determine types for both ce and e, without
2979 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
2980 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
2981 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
2982 </para>
2983 <para>
2984 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
2985 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
2986 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
2987 function f: 
2988 <programlisting>
2989    f x y = insert x y = insert x . insert y
2990 </programlisting>
2991 for which we originally obtained a type: 
2992 <programlisting>
2993    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
2994 </programlisting>
2995 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
2996 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
2997 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
2998 can infer a shorter and more accurate type for f: 
2999 <programlisting>
3000    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
3001 </programlisting>
3002 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
3003 </para>
3004 <para>
3005 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
3006 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
3007 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
3008 sets of instance declarations.
3009 </para>
3010 </sect4>
3011 </sect3>
3012 </sect2>
3013
3014 <sect2 id="instance-decls">
3015 <title>Instance declarations</title>
3016
3017 <sect3 id="instance-rules">
3018 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
3019
3020 <para>An instance declaration has the form
3021 <screen>
3022   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 ...
3023 </screen>
3024 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
3025 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
3026 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
3027 </para>
3028
3029 <para>
3030 In Haskell 98 the head of an instance declaration
3031 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
3032 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
3033 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
3034 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration
3035 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
3036 is a type variable that occurs in the head.
3037 </para>
3038 <para>
3039 The <option>-XFlexibleInstances</option> flag loosens these restrictions
3040 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
3041 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
3042 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
3043 following rules:
3044 <orderedlist>
3045 <listitem><para>
3046 The Paterson Conditions: for each assertion in the context
3047 <orderedlist>
3048 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
3049 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
3050       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
3051 </orderedlist>
3052 </para></listitem>
3053
3054 <listitem><para>The Coverage Condition.  For each functional dependency,
3055 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
3056 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
3057 every type variable in
3058 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
3059 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
3060 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
3061 corresponding type in the instance declaration.
3062 </para></listitem>
3063 </orderedlist>
3064 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
3065 step makes the problem smaller by at least one
3066 constructor.  Both the Paterson Conditions and the Coverage Condition are lifted 
3067 if you give the <option>-fallow-undecidable-instances</option> 
3068 flag (<xref linkend="undecidable-instances"/>).
3069 You can find lots of background material about the reason for these
3070 restrictions in the paper <ulink
3071 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
3072 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
3073 </para>
3074 <para>
3075 For example, these are OK:
3076 <programlisting>
3077   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
3078   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
3079
3080       -- Repeated type variable in head
3081   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
3082   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
3083
3084       -- Head can consist of type variables only
3085   instance C a
3086   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
3087
3088       -- Non-type variables in context
3089   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
3090   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
3091   instance C2 Int a => C3 [a] b
3092 </programlisting>
3093 But these are not:
3094 <programlisting>
3095       -- Context assertion no smaller than head
3096   instance C a => C a where ...
3097       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
3098   instance C b b => Foo [b] where ...
3099 </programlisting>
3100 </para>
3101
3102 <para>
3103 The same restrictions apply to instances generated by
3104 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
3105 <programlisting>
3106   data MinHeap h a = H a (h a)
3107     deriving (Show)
3108 </programlisting>
3109 because the derived instance
3110 <programlisting>
3111   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
3112 </programlisting>
3113 conforms to the above rules.
3114 </para>
3115
3116 <para>
3117 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
3118 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
3119 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
3120 something more specific does not:
3121 <programlisting>
3122   instance C a where
3123     op = ... -- Default
3124 </programlisting>
3125 </para>
3126 </sect3>
3127
3128 <sect3 id="undecidable-instances">
3129 <title>Undecidable instances</title>
3130
3131 <para>
3132 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
3133 For example, sometimes you might want to use the following to get the
3134 effect of a "class synonym":
3135 <programlisting>
3136   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3137
3138   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3139 </programlisting>
3140 This allows you to write shorter signatures:
3141 <programlisting>
3142   f :: C a => ...
3143 </programlisting>
3144 instead of
3145 <programlisting>
3146   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
3147 </programlisting>
3148 The restrictions on functional dependencies (<xref
3149 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
3150 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
3151 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
3152 <programlisting>
3153   class HasConverter a b | a -> b where
3154      convert :: a -> b
3155    
3156   data Foo a = MkFoo a
3157
3158   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
3159      show (MkFoo value) = show (convert value)
3160 </programlisting>
3161 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
3162 typechecker loop:
3163 <programlisting>
3164   class D a
3165   class F a b | a->b
3166   instance F [a] [[a]]
3167   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
3168 </programlisting>
3169 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
3170 <programlisting>
3171   class Mul a b c | a b -> c where
3172         (.*.) :: a -> b -> c
3173
3174   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
3175   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
3176   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
3177 </programlisting>
3178 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
3179 and indeed the (somewhat strange) definition:
3180 <programlisting>
3181   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
3182 </programlisting>
3183 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
3184 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
3185 </para>
3186 <para>
3187 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
3188 the experimental flag <option>-XUndecidableInstances</option>
3189 <indexterm><primary>-XUndecidableInstances</primary></indexterm>, 
3190 both the Paterson Conditions and the Coverage Condition
3191 (described in <xref linkend="instance-rules"/>) are lifted.  Termination is ensured by having a
3192 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
3193 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
3194 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
3195 </para>
3196
3197 </sect3>
3198
3199
3200 <sect3 id="instance-overlap">
3201 <title>Overlapping instances</title>
3202 <para>
3203 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
3204 declaration
3205 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
3206 can be modified by two flags: <option>-XOverlappingInstances</option>
3207 <indexterm><primary>-XOverlappingInstances
3208 </primary></indexterm> 
3209 and <option>-XIncoherentInstances</option>
3210 <indexterm><primary>-XIncoherentInstances
3211 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
3212 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
3213 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
3214 <para>
3215 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
3216 it tries to match every instance declaration against the
3217 constraint,
3218 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
3219 these declarations:
3220 <programlisting>
3221   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
3222   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
3223   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
3224   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
3225 </programlisting>
3226 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
3227 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
3228 no account of the context of the instance declaration
3229 (<literal>context1</literal> etc).
3230 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
3231 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
3232 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
3233 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
3234 particular constraint matches more than one.
3235 </para>
3236
3237 <para>
3238 The <option>-XOverlappingInstances</option> flag instructs GHC to allow
3239 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
3240 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
3241 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
3242 most-specific match, the program is rejected.
3243 </para>
3244 <para>
3245 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
3246 <programlisting>
3247   f :: [b] -> [b]
3248   f x = ...
3249 </programlisting>
3250 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
3251 <literal>C Int [b]</literal>.  But
3252 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
3253 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
3254 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
3255 So GHC rejects the program.  
3256 (If you add the flag <option>-XIncoherentInstances</option>,
3257 GHC will instead pick (C), without complaining about 
3258 the problem of subsequent instantiations.)
3259 </para>
3260 <para>
3261 Notice that we gave a type signature to <literal>f</literal>, so GHC had to
3262 <emphasis>check</emphasis> that <literal>f</literal> has the specified type.  
3263 Suppose instead we do not give a type signature, asking GHC to <emphasis>infer</emphasis>
3264 it instead.  In this case, GHC will refrain from
3265 simplifying the constraint <literal>C Int [Int]</literal> (for the same reason
3266 as before) but, rather than rejecting the program, it will infer the type
3267 <programlisting>
3268   f :: C Int b => [b] -> [b]
3269 </programlisting>
3270 That postpones the question of which instance to pick to the 
3271 call site for <literal>f</literal>
3272 by which time more is known about the type <literal>b</literal>.
3273 </para>
3274 <para>
3275 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
3276 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
3277 presence or otherwise of the <option>-XOverlappingInstances</option> 
3278 and <option>-XIncoherentInstances</option> flags when that module is
3279 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
3280 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
3281 <itemizedlist>
3282 <listitem><para>
3283 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
3284 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
3285 <option>-XOverlappingInstances</option>.  The flag setting for the
3286 more-specific instance does not matter.
3287 </para></listitem>
3288 <listitem><para>
3289 Suppose an instance declaration does not match the constraint being looked up, but
3290 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
3291 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
3292 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
3293 <option>-XIncoherentInstances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
3294 check for that declaration.
3295 </para></listitem>
3296 </itemizedlist>
3297 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
3298 overlapping instances without the library client having to know.  
3299 </para>
3300 <para>
3301 If an instance declaration is compiled without
3302 <option>-XOverlappingInstances</option>,
3303 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
3304 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
3305 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
3306 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
3307 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
3308 are compiled, if the <option>-XOverlappingInstances</option> flag is
3309 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
3310 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
3311 </para>
3312 <para>The <option>-XIncoherentInstances</option> flag implies the
3313 <option>-XOverlappingInstances</option> flag, but not vice versa.
3314 </para>
3315 </sect3>
3316
3317 <sect3>
3318 <title>Type synonyms in the instance head</title>
3319
3320 <para>
3321 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
3322 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
3323 As always, using a type synonym is just shorthand for
3324 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
3325
3326
3327 <programlisting>
3328   type Point = (Int,Int)
3329   instance C Point   where ...
3330   instance C [Point] where ...
3331 </programlisting>
3332
3333
3334 is legal.  However, if you added
3335
3336
3337 <programlisting>
3338   instance C (Int,Int) where ...
3339 </programlisting>
3340
3341
3342 as well, then the compiler will complain about the overlapping
3343 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
3344 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
3345
3346
3347 <programlisting>
3348   type P a = [[a]]
3349   instance Monad P where ...
3350 </programlisting>
3351
3352
3353 This design decision is independent of all the others, and easily
3354 reversed, but it makes sense to me.
3355
3356 </para>
3357 </sect3>
3358
3359
3360 </sect2>
3361
3362 <sect2 id="overloaded-strings">
3363 <title>Overloaded string literals
3364 </title>
3365
3366 <para>
3367 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
3368 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
3369 literals enabled (with <literal>-XOverloadedStrings</literal>)
3370  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
3371 </para>
3372 <para>
3373 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
3374 and other variations of string like types.  String literals behave very much
3375 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
3376 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
3377 way as an integer literal is.
3378 </para>
3379 <para>
3380 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
3381 <programlisting>
3382 class IsString a where
3383     fromString :: String -> a
3384 </programlisting>
3385 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
3386 <programlisting>
3387 instance IsString [Char] where
3388     fromString cs = cs
3389 </programlisting>
3390 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
3391 it explicitly (for example, to give an instance declaration for it), you can import it
3392 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
3393 </para>
3394 <para>
3395 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-XOverloadedStrings</option> is specified.
3396 Specifically:
3397 <itemizedlist>
3398 <listitem><para>
3399 Each type in a default declaration must be an 
3400 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
3401 </para></listitem>
3402
3403 <listitem><para>
3404 The standard defaulting rule (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
3405 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
3406 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
3407 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
3408 </para></listitem>
3409 </itemizedlist>
3410 </para>
3411 <para>
3412 A small example:
3413 <programlisting>
3414 module Main where
3415
3416 import GHC.Exts( IsString(..) )
3417
3418 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
3419 instance IsString MyString where
3420     fromString = MyString
3421
3422 greet :: MyString -> MyString
3423 greet "hello" = "world"
3424 greet other = other
3425
3426 main = do
3427     print $ greet "hello"
3428     print $ greet "fool"
3429 </programlisting>
3430 </para>
3431 <para>
3432 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
3433 to work since it gets translated into an equality comparison.
3434 </para>
3435 </sect2>
3436
3437 </sect1>
3438
3439 <sect1 id="other-type-extensions">
3440 <title>Other type system extensions</title>
3441
3442 <sect2 id="type-restrictions">
3443 <title>Type signatures</title>
3444
3445 <sect3 id="flexible-contexts"><title>The context of a type signature</title>
3446 <para>
3447 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
3448 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
3449 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
3450 these type signatures are perfectly OK
3451 <programlisting>
3452   g :: Eq [a] => ...
3453   g :: Ord (T a ()) => ...
3454 </programlisting>
3455 </para>
3456 <para>
3457 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
3458 Consider the type:
3459
3460 <programlisting>
3461   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
3462 </programlisting>
3463
3464 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
3465 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
3466 explicit source-language type signature are universally quantified,
3467 except for the class type variables in a class declaration.  However,
3468 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
3469 </para>
3470
3471 <para>
3472
3473 <orderedlist>
3474 <listitem>
3475
3476 <para>
3477  <emphasis>Each universally quantified type variable
3478 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
3479
3480 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
3481 in the same constraint as either a type variable free in in
3482 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
3483 A value with a type that does not obey 
3484 this reachability restriction cannot be used without introducing
3485 ambiguity; that is why the type is rejected.
3486 Here, for example, is an illegal type:
3487
3488
3489 <programlisting>
3490   forall a. Eq a => Int
3491 </programlisting>
3492
3493
3494 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
3495 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
3496 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
3497 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
3498 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
3499 get any more information about <literal>tv</literal>.
3500 </para>
3501 <para>
3502 Note
3503 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
3504 functionally dependent on a type variable free in
3505 <literal>type</literal> (see <xref
3506 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
3507 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
3508 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
3509 For example, consider:
3510 <programlisting>
3511   class C a b | a -> b where ...
3512   class C a b => D a b where ...
3513   f :: forall a b. D a b => a -> a
3514 </programlisting>
3515 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
3516 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
3517 </para>
3518 </listitem>
3519 <listitem>
3520
3521 <para>
3522  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
3523 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
3524
3525 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
3526 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
3527
3528
3529 <programlisting>
3530   forall a. C a b => burble
3531 </programlisting>
3532
3533
3534 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
3535 mention <literal>a</literal>:
3536
3537
3538 <programlisting>
3539   forall a. Eq b => burble
3540 </programlisting>
3541
3542
3543 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
3544 excluded types are never useful or necessary (because the offending
3545 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
3546 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
3547 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
3548 territory free in case we need it later.
3549
3550 </para>
3551 </listitem>
3552
3553 </orderedlist>
3554
3555 </para>
3556 </sect3>
3557
3558
3559
3560 </sect2>
3561
3562 <sect2 id="implicit-parameters">
3563 <title>Implicit parameters</title>
3564
3565 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
3566 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
3567 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
3568 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
3569 Boston, Jan 2000.
3570 </para>
3571
3572 <para>(Most of the following, still rather incomplete, documentation is
3573 due to Jeff Lewis.)</para>
3574
3575 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
3576 <option>-XImplicitParams</option>.</para>
3577
3578 <para>
3579 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
3580 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
3581 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
3582 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
3583 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
3584 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
3585 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
3586 only support static scoping of variables.
3587 </para>
3588 <para>
3589 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
3590 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
3591 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
3592 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
3593 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
3594 of type <literal>t'</literal>". For
3595 example, the following expresses the type of a sort function,
3596 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
3597 <programlisting>
3598   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
3599 </programlisting>
3600 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
3601 </para>
3602 <para>
3603 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
3604 where <literal>x</literal> is
3605 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
3606 Use of this construct also introduces a new
3607 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
3608 For example, the following definition
3609 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
3610 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
3611 <programlisting>
3612   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
3613
3614   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
3615   sort    = sortBy ?cmp
3616 </programlisting>
3617 </para>
3618
3619 <sect3>
3620 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
3621 <para>
3622 Dynamic binding constraints behave just like other type class
3623 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
3624 function is used, its implicit parameters are inherited by the
3625 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
3626 to pick out the least value in a list:
3627 <programlisting>
3628   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
3629   least xs = head (sort xs)
3630 </programlisting>
3631 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
3632 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
3633 parameters, the default is that parameters must always be explicit
3634 propagated. With implicit parameters, the default is to always
3635 propagate them.
3636 </para>
3637 <para>
3638 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
3639 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
3640 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
3641 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
3642 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
3643 class constraints.
3644 </para>
3645
3646 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
3647 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
3648 <programlisting>
3649   class (?x::Int) => C a where ...
3650   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
3651 </programlisting>
3652 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
3653 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
3654 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
3655 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
3656 <para>
3657 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
3658 <programlisting>
3659    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
3660    f n = n + length ?x
3661
3662    g :: (Read a, Show a) => String -> String
3663    g s = show (read s)
3664 </programlisting>
3665 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
3666 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
3667 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
3668 </para>
3669 </sect3>
3670
3671 <sect3>
3672 <title>Implicit-parameter bindings</title>
3673
3674 <para>
3675 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
3676 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
3677 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
3678 <literal>cmp</literal>.
3679 <programlisting>
3680   min :: [a] -> a
3681   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
3682 </programlisting>
3683 </para>
3684 <para>
3685 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
3686 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
3687 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
3688 or a <literal>where</literal> clause.
3689 Note the following points:
3690 <itemizedlist>
3691 <listitem><para>
3692 An implicit-parameter binding group must be a
3693 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
3694 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
3695 neither polymorphic or recursive.  
3696 </para></listitem>
3697 <listitem><para>
3698 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
3699 single <literal>let</literal>
3700 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
3701 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
3702 </para></listitem>
3703
3704 <listitem><para>
3705 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
3706 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
3707 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
3708 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
3709 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
3710 the meaning of the program.
3711 For example, consider:
3712 <programlisting>
3713   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
3714 </programlisting>
3715 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
3716 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
3717 <programlisting>
3718   f :: (?x::Int) => Int -> Int
3719 </programlisting>
3720 </para></listitem>
3721 </itemizedlist>
3722 </para>
3723
3724 </sect3>
3725
3726 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
3727
3728 <para>
3729 Consider these two definitions:
3730 <programlisting>
3731   len1 :: [a] -> Int
3732   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
3733
3734   len_acc1 [] = ?acc
3735   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
3736
3737   ------------
3738
3739   len2 :: [a] -> Int
3740   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
3741
3742   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
3743   len_acc2 [] = ?acc
3744   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
3745 </programlisting>
3746 The only difference between the two groups is that in the second group
3747 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
3748 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
3749 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
3750 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
3751 has a type signature, the recursive call is made to the
3752 <emphasis>polymorphic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
3753 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
3754 <programlisting>
3755   Prog> len1 "hello"
3756   0
3757   Prog> len2 "hello"
3758   5
3759 </programlisting>
3760 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
3761 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
3762 </para>
3763 </sect3>
3764
3765 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
3766
3767 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
3768 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
3769 <programlisting>
3770  f :: Int -> Int
3771   f v = let ?x = 0     in
3772         let y = ?x + v in
3773         let ?x = 5     in
3774         y
3775 </programlisting>
3776 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
3777 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
3778 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
3779 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
3780 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
3781 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
3782 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
3783 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
3784 <literal>14</literal>.
3785 </para>
3786 </sect3>
3787 </sect2>
3788
3789     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
3790
3791     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
3792     them from the 6.6 user manual
3793
3794 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
3795 <title>Linear implicit parameters</title>
3796 <para>
3797 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
3798 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
3799 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
3800 </para>
3801 <itemizedlist>
3802 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
3803 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
3804 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
3805 </itemizedlist>
3806
3807 <para>
3808 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
3809 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
3810 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
3811 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
3812 (The '/' in the '%' suggests the split!)
3813 </para>
3814 <para>
3815 For example:
3816 <programlisting>
3817     import GHC.Exts( Splittable )
3818
3819     data NameSupply = ...
3820     
3821     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
3822     newName :: NameSupply -> Name
3823
3824     instance Splittable NameSupply where
3825         split = splitNS
3826
3827
3828     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
3829     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
3830                     where
3831                       x'   = newName %ns
3832                       env' = extend env x x'
3833     ...more equations for f...
3834 </programlisting>
3835 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
3836 <itemizedlist>
3837 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
3838 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
3839 </itemizedlist>
3840 </para>
3841 <para>
3842 So the translation done by the type checker makes
3843 the parameter explicit:
3844 <programlisting>
3845     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
3846     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
3847                        where
3848                          (ns1,ns2) = splitNS ns
3849                          x' = newName ns2
3850                          env = extend env x x'
3851 </programlisting>
3852 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
3853 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
3854 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
3855 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
3856 <programlisting>
3857         class Splittable a where
3858           split :: a -> (a,a)
3859 </programlisting>
3860 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
3861 split for name supplies.  But we can simply write
3862 <programlisting>
3863         g x = (x, %ns, %ns)
3864 </programlisting>
3865 and GHC will infer
3866 <programlisting>
3867         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
3868 </programlisting>
3869 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
3870 <literal>GHC.Exts</literal>.
3871 </para>
3872 <para>
3873 Other points:
3874 <itemizedlist>
3875 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
3876 are entirely distinct implicit parameters: you 
3877   can use them together and they won't interfere with each other. </para>
3878 </listitem>
3879
3880 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
3881
3882 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
3883   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
3884 </itemizedlist>
3885 </para>
3886
3887 <sect3><title>Warnings</title>
3888
3889 <para>
3890 The monomorphism restriction is even more important than usual.
3891 Consider the example above:
3892 <programlisting>
3893     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
3894     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
3895                     where
3896                       x'   = newName %ns
3897                       env' = extend env x x'
3898 </programlisting>
3899 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
3900 usually a harmless thing to do, we get:
3901 <programlisting>
3902     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
3903     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
3904                     where
3905                       env' = extend env x (newName %ns)
3906 </programlisting>
3907 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
3908 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
3909 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
3910 the beta rule.
3911 </para>
3912 <para>
3913 Well, this is an experimental change.  With implicit
3914 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
3915 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
3916 Haskell programs without knowing their typing.
3917 </para>
3918
3919 </sect3>
3920
3921 <sect3><title>Recursive functions</title>
3922 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
3923 Consider
3924 <programlisting>
3925         foo :: %x::T => Int -> [Int]
3926         foo 0 = []
3927         foo n = %x : foo (n-1)
3928 </programlisting>
3929 where T is some type in class Splittable.</para>
3930 <para>
3931 Do you get a list of all the same T's or all different T's
3932 (assuming that split gives two distinct T's back)?
3933 </para><para>
3934 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
3935 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
3936 translated term, where the implicit param is made explicit:
3937 <programlisting>
3938         foo x 0 = []
3939         foo x n = let (x1,x2) = split x
3940                   in x1 : foo x2 (n-1)
3941 </programlisting>
3942 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
3943 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
3944 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
3945 work.  So the translation becomes
3946 <programlisting>
3947         foo x = let
3948                   foom 0 = []
3949                   foom n = x : foom (n-1)
3950                 in
3951                 foom
3952 </programlisting>
3953 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
3954 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
3955 Yikes!
3956 </para><para>
3957 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
3958 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
3959 </para>
3960 </sect3>
3961
3962 </sect2>
3963
3964 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
3965
3966 <sect2 id="kinding">
3967 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
3968
3969 <para>
3970 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
3971 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
3972 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
3973 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
3974 John Hughes had to define the data type:
3975 <screen>
3976      data Set cxt a = Set [a]
3977                     | Unused (cxt a -> ())
3978 </screen>
3979 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
3980 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
3981 </para>
3982 <para>
3983 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
3984 a type variable is explicitly bound, with the flag <option>-XKindSignatures</option>.
3985 </para>
3986 <para>
3987 This flag enables kind signatures in the following places:
3988 <itemizedlist>
3989 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
3990 <screen>
3991   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
3992 </screen></para></listitem>
3993 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
3994 <screen>
3995   type T (f :: * -> *) = f Int
3996 </screen></para></listitem>
3997 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
3998 <screen>
3999   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
4000 </screen></para></listitem>
4001 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
4002 <screen>
4003   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
4004 </screen></para></listitem>
4005 </itemizedlist>
4006 </para>
4007
4008 <para>
4009 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
4010 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
4011 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
4012 single lexeme in Haskell.
4013 </para>
4014
4015 <para>
4016 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
4017 as well.  Thus:
4018 <screen>
4019    f :: (Int :: *) -> Int
4020    g :: forall a. a -> (a :: *)
4021 </screen>
4022 The syntax is
4023 <screen>
4024    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
4025 </screen>
4026 The parentheses are required.
4027 </para>
4028 </sect2>
4029
4030
4031 <sect2 id="universal-quantification">
4032 <title>Arbitrary-rank polymorphism
4033 </title>
4034
4035 <para>
4036 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
4037 allows us to say exactly what this means.  For example:
4038 </para>
4039 <para>
4040 <programlisting>
4041         g :: b -> b
4042 </programlisting>
4043 means this:
4044 <programlisting>
4045         g :: forall b. (b -> b)
4046 </programlisting>
4047 The two are treated identically.
4048 </para>
4049
4050 <para>
4051 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
4052 explicit universal quantification in
4053 types. 
4054 For example, all the following types are legal:
4055 <programlisting>
4056     f1 :: forall a b. a -> b -> a
4057     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
4058
4059     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
4060     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
4061
4062     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
4063
4064     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
4065 </programlisting>
4066 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
4067 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
4068 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
4069 is implicitly added by Haskell.
4070 </para>
4071 <para>
4072 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
4073 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
4074 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
4075 </para>
4076 <para>
4077 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
4078 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
4079 </para>
4080 <para>
4081 GHC has three flags to control higher-rank types:
4082 <itemizedlist>
4083 <listitem><para>
4084  <option>-XPolymorphicComponents</option>: data constructors (only) can have polymorphic argment types.
4085 </para></listitem>
4086 <listitem><para>
4087  <option>-XRank2Types</option>: any function (including data constructors) can have a rank-2 type.
4088 </para></listitem>
4089 <listitem><para>
4090  <option>-XRankNTypes</option>: any function (including data constructors) can have an arbitrary-rank type.
4091 That is,  you can nest <literal>forall</literal>s
4092 arbitrarily deep in function arrows.
4093 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
4094 including an operational type class context, is legal:
4095 <itemizedlist>
4096 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
4097 of a function arrow </para> </listitem>
4098 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
4099 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
4100 field type signatures.</para> </listitem>
4101 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
4102 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
4103 </itemizedlist>
4104 </para></listitem>
4105 </itemizedlist>
4106 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
4107 a type variable any more!
4108 </para>
4109
4110
4111 <sect3 id="univ">
4112 <title>Examples
4113 </title>
4114
4115 <para>
4116 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
4117 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
4118 </para>
4119
4120 <para>
4121
4122 <programlisting>
4123 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
4124
4125 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
4126                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
4127                         }
4128
4129 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
4130 </programlisting>
4131
4132 </para>
4133
4134 <para>
4135 The constructors have rank-2 types:
4136 </para>
4137
4138 <para>
4139
4140 <programlisting>
4141 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
4142 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
4143                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
4144                   -> MonadT m
4145 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
4146 </programlisting>
4147
4148 </para>
4149
4150 <para>
4151 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
4152 explicit context.  For example in the first argument of the
4153 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
4154 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
4155 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
4156 mentioned in the type quantified over.
4157 </para>
4158
4159 <para>
4160 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
4161 types too.  So if you write this:
4162
4163 <programlisting>
4164   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
4165 </programlisting>
4166
4167 it's just as if you had written this:
4168
4169 <programlisting>
4170   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
4171 </programlisting>
4172
4173 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
4174 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
4175 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
4176 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
4177 </para>
4178
4179 <para>
4180 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
4181 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
4182 </para>
4183
4184 <para>
4185
4186 <programlisting>
4187     a1 :: T Int
4188     a1 = T1 (\xy->x) 3
4189     
4190     a2, a3 :: Swizzle
4191     a2 = MkSwizzle sort
4192     a3 = MkSwizzle reverse
4193     
4194     a4 :: MonadT Maybe
4195     a4 = let r x = Just x
4196              b m k = case m of
4197                        Just y -> k y
4198                        Nothing -> Nothing
4199          in
4200          MkMonad r b
4201
4202     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
4203     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
4204 </programlisting>
4205
4206 </para>
4207
4208 <para>
4209 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
4210 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
4211 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
4212 </para>
4213
4214 <para>
4215 When you use pattern matching, the bound variables may now have
4216 polymorphic types.  For example:
4217 </para>
4218
4219 <para>
4220
4221 <programlisting>
4222     f :: T a -> a -> (a, Char)
4223     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
4224
4225     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
4226     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
4227
4228     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
4229     h m [] = return m []
4230     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
4231                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
4232                  return m (y:ys)
4233 </programlisting>
4234
4235 </para>
4236
4237 <para>
4238 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
4239 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
4240 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
4241 matching.
4242 </para>
4243 </sect3>
4244
4245 <sect3>
4246 <title>Type inference</title>
4247
4248 <para>
4249 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
4250 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
4251 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
4252 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
4253 </para>
4254 <para>
4255 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
4256 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
4257 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
4258 </para>
4259 <para>
4260 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
4261 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
4262 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
4263 <programlisting>
4264      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
4265 </programlisting>
4266 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
4267 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
4268 <programlisting>
4269      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
4270 </programlisting>
4271 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
4272 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
4273 one can give a type signature for the function itself:
4274 <programlisting>
4275      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
4276      h f = (f True, f 'c')
4277 </programlisting>
4278 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
4279 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
4280 <programlisting>
4281     f :: T a -> a -> (a, Char)
4282     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
4283 </programlisting>
4284 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
4285 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
4286 it needs to know.
4287 </para>
4288
4289 </sect3>
4290
4291
4292 <sect3 id="implicit-quant">
4293 <title>Implicit quantification</title>
4294
4295 <para>
4296 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
4297 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
4298 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
4299 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
4300 equivalent:
4301 <programlisting>
4302   f :: a -> a
4303   f :: forall a. a -> a
4304
4305   g (x::a) = let
4306                 h :: a -> b -> b
4307                 h x y = y
4308              in ...
4309   g (x::a) = let
4310                 h :: forall b. a -> b -> b
4311                 h x y = y
4312              in ...
4313 </programlisting>
4314 </para>
4315 <para>
4316 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
4317 point.  For example:
4318 <programlisting>
4319   f :: (a -> a) -> Int
4320            -- MEANS
4321   f :: forall a. (a -> a) -> Int
4322            -- NOT
4323   f :: (forall a. a -> a) -> Int
4324
4325
4326   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
4327            -- MEANS the illegal type
4328   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
4329            -- NOT
4330   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
4331 </programlisting>
4332 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
4333 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
4334 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
4335 for rank-2 types.
4336 </para>
4337 </sect3>
4338 </sect2>
4339
4340
4341 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
4342 <title>Impredicative polymorphism
4343 </title>
4344 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>.  This means
4345 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
4346 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
4347 <programlisting>
4348   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
4349   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
4350   f Nothing  = Nothing
4351 </programlisting>
4352 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
4353 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
4354 [a])</literal>.
4355 </para>
4356 <para>The technical details of this extension are described in the paper
4357 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy">Boxy types:
4358 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
4359 which appeared at ICFP 2006.  
4360 </para>
4361 </sect2>
4362
4363 <sect2 id="scoped-type-variables">
4364 <title>Lexically scoped type variables
4365 </title>
4366
4367 <para>
4368 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
4369 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
4370 <programlisting>
4371 f :: forall a. [a] -> [a]
4372 f xs = ys ++ ys
4373      where
4374        ys :: [a]
4375        ys = reverse xs
4376 </programlisting>
4377 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
4378 the entire definition of <literal>f</literal>.
4379 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>ys</varname>. 
4380 In Haskell 98 it is not possible to declare
4381 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
4382 it becomes possible to do so.
4383 </para>
4384 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
4385 <option>-fglasgow-exts</option>.
4386 </para>
4387 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
4388 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
4389 carefully!</para>
4390
4391 <sect3>
4392 <title>Overview</title>
4393
4394 <para>The design follows the following principles
4395 <itemizedlist>
4396 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
4397 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
4398 design.)</para></listitem>
4399 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
4400 type variables.  This means that every programmer-written type signature
4401 (including one that contains free scoped type variables) denotes a
4402 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
4403 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
4404 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
4405 changing the program.</para></listitem>
4406 </itemizedlist>
4407 </para>
4408 <para>
4409 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
4410 <itemizedlist>
4411 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
4412 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
4413 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
4414 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
4415 </itemizedlist>
4416 </para>
4417 <para>
4418 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantified over
4419 its free type variables (<ulink
4420 url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
4421 4.1.2</ulink> 
4422 of the Haskel Report).
4423 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
4424 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
4425 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
4426 then
4427 <programlisting>
4428   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
4429   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
4430   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
4431 </programlisting>
4432 </para>
4433
4434
4435 </sect3>
4436
4437
4438 <sect3 id="decl-type-sigs">
4439 <title>Declaration type signatures</title>
4440 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
4441 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
4442 explicitly-quantified
4443 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
4444 <programlisting>
4445   f :: forall a. [a] -> [a]
4446   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
4447 </programlisting>
4448 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
4449 the definition of "<literal>f</literal>".
4450 </para>
4451 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
4452 signature is explicit.  For example:
4453 <programlisting>
4454   g :: [a] -> [a]
4455   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
4456 </programlisting>
4457 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
4458 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
4459 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
4460 quantification rules.
4461 </para>
4462 </sect3>
4463
4464 <sect3 id="exp-type-sigs">
4465 <title>Expression type signatures</title>
4466
4467 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
4468 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
4469 explicitly-quantified
4470 type variables, in the annotated expression.  For example:
4471 <programlisting>
4472   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
4473 </programlisting>
4474 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
4475 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
4476 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
4477 </para>
4478
4479 </sect3>
4480
4481 <sect3 id="pattern-type-sigs">
4482 <title>Pattern type signatures</title>
4483 <para>
4484 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
4485 signature</emphasis>. 
4486 For example:
4487 <programlisting>
4488   -- f and g assume that 'a' is already in scope
4489   f = \(x::Int, y::a) -> x
4490   g (x::a) = x
4491   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
4492 </programlisting>
4493 In the case where all the type variables in the pattern type signature are
4494 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
4495 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
4496 </para>
4497 <para>
4498 Unlike expression and declaration type signatures, pattern type signatures are not implictly generalised.
4499 The pattern in a <emphasis>patterm binding</emphasis> may only mention type variables
4500 that are already in scope.  For example:
4501 <programlisting>
4502   f :: forall a. [a] -> (Int, [a])
4503   f xs = (n, zs)
4504     where
4505       (ys::[a], n) = (reverse xs, length xs) -- OK
4506       zs::[a] = xs ++ ys                     -- OK
4507
4508       Just (v::b) = ...  -- Not OK; b is not in scope
4509 </programlisting>
4510 Here, the pattern signatures for <literal>ys</literal> and <literal>zs</literal>
4511 are fine, but the one for <literal>v</literal> is not because <literal>b</literal> is
4512 not in scope. 
4513 </para>
4514 <para>
4515 However, in all patterns <emphasis>other</emphasis> than pattern bindings, a pattern
4516 type signature may mention a type variable that is not in scope; in this case,
4517 <emphasis>the signature brings that type variable into scope</emphasis>.
4518 This is particularly important for existential data constructors.  For example:
4519 <programlisting>
4520   data T = forall a. MkT [a]
4521
4522   k :: T -> T
4523   k (MkT [t::a]) = MkT t3
4524                  where
4525                    t3::[a] = [t,t,t]
4526 </programlisting>
4527 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
4528 variable that is not already in scope.  Indeed, it <emphasis>cannot</emphasis> already be in scope,
4529 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
4530 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
4531 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
4532 existentially-bound type variable.
4533 </para>
4534 <para>
4535 When a pattern type signature binds a type variable in this way, GHC insists that the 
4536 type variable is bound to a <emphasis>rigid</emphasis>, or fully-known, type variable.
4537 This means that any user-written type signature always stands for a completely known type.
4538 </para>
4539 <para>
4540 If all this seems a little odd, we think so too.  But we must have
4541 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
4542 could not name existentially-bound type variables in subsequent type signatures.
4543 </para>
4544 <para>
4545 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
4546 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
4547 scope.
4548 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
4549 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
4550 </para>
4551
4552
4553 </sect3>
4554
4555 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
4556
4557 <sect3 id="result-type-sigs">
4558 <title>Result type signatures</title>
4559
4560 <para>
4561 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
4562
4563 <programlisting>
4564   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
4565   f x y :: [a] = [x,y,x]
4566
4567   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
4568
4569   h :: forall a. [a] -> a
4570   h xs = case xs of
4571             (y:ys) :: a -> y
4572 </programlisting>
4573 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
4574 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
4575 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
4576 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
4577 </para>
4578 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
4579 <para>
4580 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
4581 examples would parse quite differently with parentheses:
4582 <programlisting>
4583   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
4584   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
4585
4586   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
4587
4588   h :: forall a. [a] -> a
4589   h xs = case xs of
4590             ((y:ys) :: a) -> y
4591 </programlisting>
4592 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
4593 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
4594 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
4595
4596 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
4597 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
4598 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
4599 consider how one would parse this:
4600 <programlisting>
4601   \ x :: a -> b -> x
4602 </programlisting>
4603 </para>
4604 </sect3>
4605
4606  -->
4607
4608 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
4609 <title>Class and instance declarations</title>
4610 <para>
4611
4612 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
4613 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
4614
4615
4616 <programlisting>
4617   class C a where
4618     op :: [a] -> a
4619
4620     op xs = let ys::[a]
4621                 ys = reverse xs
4622             in
4623             head ys
4624 </programlisting>
4625 </para>
4626 </sect3>
4627
4628 </sect2>
4629
4630
4631 <sect2 id="typing-binds">
4632 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
4633
4634 <para>
4635 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
4636 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
4637 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
4638 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
4639 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
4640 As each group is type-checked, any binders of the group that
4641 have
4642 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
4643 polymorphic type,
4644 and all others are monomorphic until the group is generalised 
4645 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
4646 </para>
4647
4648 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
4649 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
4650 Haskell</ulink>,
4651 GHC implements a more general scheme.  If <option>-XRelaxedPolyRec</option> is
4652 specified:
4653 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
4654 type signature</emphasis>.
4655 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
4656 typecheck.  For example, consider:
4657 <programlisting>
4658   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
4659   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
4660   
4661   g y = (y &lt;= y) || f True
4662 </programlisting>
4663 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
4664 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
4665 <literal>f</literal>,
4666 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
4667 hand side is ignored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
4668 type is generalised, to get
4669 <programlisting>
4670   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
4671 </programlisting>
4672 Now, the definition for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
4673 <literal>g</literal> in the type environment.
4674 </para>
4675
4676 <para>
4677 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
4678 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
4679 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
4680 <option>-XRelaxedPolyRec</option>
4681 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
4682 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
4683 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
4684 <programlisting>
4685   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
4686   f x = (x == x) || g True
4687   
4688   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
4689   g y = (y &lt;= y) || f True
4690 </programlisting>
4691 </para>
4692 </sect2>
4693
4694 <sect2 id="type-families">
4695 <title>Type families
4696 </title>
4697
4698 <para>
4699 GHC supports the definition of type families indexed by types.  They may be
4700 seen as an extension of Haskell 98's class-based overloading of values to
4701 types.  When type families are declared in classes, they are also known as
4702 associated types.
4703 </para>
4704 <para>
4705 There are two forms of type families: data families and type synonym families.
4706 Currently, only the former are fully implemented, while we are still working
4707 on the latter.  As a result, the specification of the language extension is
4708 also still to some degree in flux.  Hence, a more detailed description of
4709 the language extension and its use is currently available
4710 from <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/GHC/Indexed_types">the Haskell
4711 wiki page on type families</ulink>.  The material will be moved to this user's
4712 guide when it has stabilised.
4713 </para>
4714 <para>
4715 Type families are enabled by the flag <option>-XTypeFamilies</option>.
4716 </para>
4717
4718
4719 </sect2>
4720
4721 </sect1>
4722 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
4723   
4724 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
4725
4726 <sect1 id="template-haskell">
4727 <title>Template Haskell</title>
4728
4729 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
4730 Haskell.  
4731 The background to
4732 the main technical innovations is discussed in "<ulink
4733 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
4734 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
4735 </para>
4736 <para>
4737 There is a Wiki page about
4738 Template Haskell at <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
4739 http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell</ulink>, and that is the best place to look for
4740 further details.
4741 You may also 
4742 consult the <ulink
4743 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
4744 Haskell library reference material</ulink> 
4745 (look for module <literal>Language.Haskell.TH</literal>).
4746 Many changes to the original design are described in 
4747       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/notes2.ps">
4748 Notes on Template Haskell version 2</ulink>.
4749 Not all of these changes are in GHC, however.
4750 </para>
4751
4752 <para> The first example from that paper is set out below (<xref linkend="th-example"/>) 
4753 as a worked example to help get you started. 
4754 </para>
4755
4756 <para>
4757 The documentation here describes the realisation of Template Haskell in GHC.  It is not detailed enough to 
4758 understand Template Haskell; see the <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
4759 Wiki page</ulink>.
4760 </para>
4761
4762     <sect2>
4763       <title>Syntax</title>
4764
4765       <para> Template Haskell has the following new syntactic
4766       constructions.  You need to use the flag
4767       <option>-XTemplateHaskell</option>
4768         <indexterm><primary><option>-XTemplateHaskell</option></primary>
4769       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
4770       (<option>-XTemplateHaskell</option> is no longer implied by
4771       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
4772
4773         <itemizedlist>
4774               <listitem><para>
4775                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
4776                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
4777                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
4778                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
4779                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
4780                   </para>
4781               <para> A splice can occur in place of 
4782                   <itemizedlist>
4783                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
4784                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
4785                     <listitem><para> a list of top-level declarations; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
4786                     </itemizedlist>
4787                 </para>
4788             Inside a splice you can can only call functions defined in imported modules,
4789         not functions defined elsewhere in the same module.</listitem>
4790
4791
4792               <listitem><para>
4793                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
4794                   <itemizedlist>
4795                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
4796                              the quotation has type <literal>Q Exp</literal>.</para></listitem>
4797                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
4798                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
4799                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;
4800                              the quotation has type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
4801                   </itemizedlist></para></listitem>
4802
4803               <listitem><para>
4804                   A name can be quoted with either one or two prefix single quotes:
4805                   <itemizedlist>
4806                     <listitem><para> <literal>'f</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the function <literal>f</literal>.
4807                   Similarly <literal>'C</literal> has type <literal>Name</literal> and names the data constructor <literal>C</literal>.
4808                   In general <literal>'</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in an expression context.
4809                      </para></listitem> 
4810                     <listitem><para> <literal>''T</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the type constructor  <literal>T</literal>.
4811                   That is, <literal>''</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in a type context.
4812                      </para></listitem> 
4813                   </itemizedlist>
4814                   These <literal>Names</literal> can be used to construct Template Haskell expressions, patterns, delarations etc.  They
4815                   may also be given as an argument to the <literal>reify</literal> function.
4816                  </para>
4817                 </listitem>
4818
4819                   
4820         </itemizedlist>
4821 (Compared to the original paper, there are many differnces of detail.
4822 The syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>".
4823 The type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>.
4824 Type splices are not implemented, and neither are pattern splices or quotations.
4825
4826 </sect2>
4827
4828 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
4829 <para>
4830 <itemizedlist>
4831     <listitem><para>
4832     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
4833     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
4834     </para></listitem>
4835
4836     <listitem><para>
4837     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
4838             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
4839             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
4840    </para></listitem>
4841
4842    <listitem><para>
4843    Furthermore, you can only run a function at compile time if it is imported
4844    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
4845    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  For example, when compiling module A,
4846    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
4847    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
4848    </para></listitem>
4849
4850     <listitem><para>
4851             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
4852    </para></listitem>
4853     <listitem><para>
4854             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
4855               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
4856               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
4857               the program it compiles produces results whose representations are identical to
4858               those of the compiler itself.
4859    </para></listitem>
4860 </itemizedlist>
4861 </para>
4862 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
4863         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
4864         has been lifted.
4865 </para>
4866 </sect2>
4867  
4868 <sect2 id="th-example">  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
4869 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
4870   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
4871
4872 <programlisting>
4873
4874 {- Main.hs -}
4875 module Main where
4876
4877 -- Import our template "pr"
4878 import Printf ( pr )
4879
4880 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
4881 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
4882 -- the argument of "putStrLn".
4883 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
4884
4885
4886 {- Printf.hs -}
4887 module Printf where
4888
4889 -- Skeletal printf from the paper.
4890 -- It needs to be in a separate module to the one where
4891 -- you intend to use it.
4892
4893 -- Import some Template Haskell syntax
4894 import Language.Haskell.TH
4895
4896 -- Describe a format string
4897 data Format = D | S | L String
4898
4899 -- Parse a format string.  This is left largely to you
4900 -- as we are here interested in building our first ever
4901 -- Template Haskell program and not in building printf.
4902 parse :: String -> [Format]
4903 parse s   = [ L s ]
4904
4905 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
4906 -- of the format string.  This code will be spliced into
4907 -- the module which calls "pr", at compile time.
4908 gen :: [Format] -> Q Exp
4909 gen [D]   = [| \n -> show n |]
4910 gen [S]   = [| \s -> s |]
4911 gen [L s] = stringE s
4912
4913 -- Here we generate the Haskell code for the splice
4914 -- from an input format string.
4915 pr :: String -> Q Exp
4916 pr s = gen (parse s)
4917 </programlisting>
4918
4919 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
4920 </para>
4921 <programlisting>
4922 $ ghc --make -XTemplateHaskell main.hs -o main.exe
4923 </programlisting>
4924
4925 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
4926
4927 <programlisting>
4928 $ ./main
4929 Hello
4930 </programlisting>
4931
4932 </sect2>
4933
4934 <sect2>
4935 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
4936 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
4937  
4938 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
4939 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
4940 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
4941 itself is running; this means that the compiled code referred to by
4942 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
4943 in particular this means that object code that is compiled for
4944 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
4945 expression, because profiled object code is only compatible with the
4946 profiling version of the runtime.</para>
4947
4948 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
4949 containing Template Haskell code and you need to compile it for
4950 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
4951 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
4952 The basic idea is to compile the program twice:</para>
4953
4954 <orderedlist>
4955 <listitem>
4956   <para>Compile the program or library first the normal way, without
4957   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
4958 </listitem>
4959 <listitem>
4960   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
4961   additionally use <option>-osuf
4962   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
4963   to name the object files differently (you can choose any suffix
4964   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
4965   load the object files built in the first step when executing splice
4966   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
4967   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
4968   GHC will emit an error message. </para>
4969 </listitem>
4970 </orderedlist>
4971 </sect2>
4972
4973 </sect1>
4974
4975 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
4976
4977 <sect1 id="arrow-notation">
4978 <title>Arrow notation
4979 </title>
4980
4981 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
4982 For more details, see
4983 <itemizedlist>
4984
4985 <listitem>
4986 <para>
4987 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
4988 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
4989 pp67&ndash;111, May 2000.
4990 </para>
4991 </listitem>
4992
4993 <listitem>
4994 <para>
4995 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
4996 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
4997 </para>
4998 </listitem>
4999
5000 <listitem>
5001 <para>
5002 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
5003 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
5004 Palgrave, 2003.
5005 </para>
5006 </listitem>
5007
5008 </itemizedlist>
5009 and the arrows web page at
5010 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
5011 With the <option>-XArrows</option> flag, GHC supports the arrow
5012 notation described in the second of these papers.
5013 What follows is a brief introduction to the notation;
5014 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
5015 This notation is translated to ordinary Haskell,
5016 using combinators from the
5017 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
5018 module.
5019 </para>
5020
5021 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
5022 <screen>
5023 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
5024        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
5025 </screen>
5026 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
5027 The variables of the pattern are bound in the body of the 
5028 <literal>proc</literal>-expression,
5029 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
5030 The syntax of commands is as follows:
5031 <screen>
5032 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
5033        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
5034        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
5035 </screen>
5036 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
5037 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
5038 infix operators as for expressions, and
5039 <screen>
5040 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
5041        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
5042        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
5043        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
5044        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
5045        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
5046
5047 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
5048        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
5049        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
5050
5051 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
5052        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
5053        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
5054        |  <replaceable>cmd</replaceable>
5055 </screen>
5056 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
5057 except that the bodies are commands instead of expressions.
5058 </para>
5059
5060 <para>
5061 Commands produce values, but (like monadic computations)
5062 may yield more than one value,
5063 or none, and may do other things as well.
5064 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
5065 using commands.
5066 However the values of expressions, even monadic ones,
5067 are determined by the values of the variables they contain;
5068 this is not necessarily the case for commands.
5069 </para>
5070
5071 <para>
5072 A simple example of the new notation is the expression
5073 <screen>
5074 proc x -> f -&lt; x+1
5075 </screen>
5076 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
5077 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
5078 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
5079 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
5080 It refers to the input to the arrow.
5081 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
5082 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
5083 type and an expression to be fed as input to that arrow.
5084 (The weird look will make more sense later.)
5085 It may be read as analogue of application for arrows.
5086 The above example is equivalent to the Haskell expression
5087 <screen>
5088 arr (\ x -> x+1) >>> f
5089 </screen>
5090 That would make no sense if the expression to the left of
5091 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
5092 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
5093 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
5094 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
5095 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
5096 <screen>
5097 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
5098 </screen>
5099 which is equivalent to
5100 <screen>
5101 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
5102 </screen>
5103 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
5104 class.
5105 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
5106 you may find a monadic formulation more convenient.
5107 </para>
5108
5109 <sect2>
5110 <title>do-notation for commands</title>
5111
5112 <para>
5113 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
5114 For example, you can write
5115 <screen>
5116 proc x -> do
5117         y &lt;- f -&lt; x+1
5118         g -&lt; 2*y
5119         let z = x+y
5120         t &lt;- h -&lt; x*z
5121         returnA -&lt; t+z
5122 </screen>
5123 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
5124 but with commands in place of monadic expressions.
5125 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
5126 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
5127 <literal>y</literal>.
5128 In the next line, the output is discarded.
5129 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
5130 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
5131 module as <literal>arr id</literal>.
5132 The above example is treated as an abbreviation for
5133 <screen>
5134 arr (\ x -> (x, x)) >>>
5135         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
5136         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
5137         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
5138         arr snd >>>
5139         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
5140         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
5141         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
5142         returnA
5143 </screen>
5144 Note that variables not used later in the composition are projected out.
5145 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
5146 defined in the
5147 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
5148 module, this reduces to
5149 <screen>
5150 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
5151         first f >>>
5152         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
5153         first g >>>
5154         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
5155         first h >>>
5156         arr (\ (t, z) -> t+z)
5157 </screen>
5158 which is what you might have written by hand.
5159 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
5160 </para>
5161
5162 <para>
5163 Note that although the above translation suggests that
5164 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
5165 monomorphic, the actual translation produces Core,
5166 so polymorphic variables are allowed.
5167 </para>
5168
5169 <para>
5170 It's also possible to have mutually recursive bindings,
5171 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
5172 <programlisting>
5173 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
5174 counter = proc reset -> do
5175         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
5176                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
5177         returnA -&lt; output
5178 </programlisting>
5179 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
5180 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
5181 </para>
5182
5183 </sect2>
5184
5185 <sect2>
5186 <title>Conditional commands</title>
5187
5188 <para>
5189 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
5190 input for an arrow.
5191 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
5192 <screen>
5193 proc (x,y) ->
5194         if f x y
5195         then g -&lt; x+1
5196         else h -&lt; y+2
5197 </screen>
5198 which is translated to
5199 <screen>
5200 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
5201         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
5202 </screen>
5203 Since the translation uses <function>|||</function>,
5204 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
5205 </para>
5206
5207 <para>
5208 There are also <literal>case</literal> commands, like
5209 <screen>
5210 case input of
5211     [] -> f -&lt; ()
5212     [x] -> g -&lt; x+1
5213     x1:x2:xs -> do
5214         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
5215         ys &lt;- k -&lt; xs
5216         returnA -&lt; y:ys
5217 </screen>
5218 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
5219 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
5220 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
5221 </para>
5222
5223 </sect2>
5224
5225 <sect2>
5226 <title>Defining your own control structures</title>
5227
5228 <para>
5229 As we're seen, arrow notation provides constructs,
5230 modelled on those for expressions,
5231 for sequencing, value recursion and conditionals.
5232 But suitable combinators,
5233 which you can define in ordinary Haskell,
5234 may also be used to build new commands out of existing ones.
5235 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
5236 These environments assign values to the free local variables of the command.
5237 Thus combinators that produce arrows from arrows
5238 may also be used to build commands from commands.
5239 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
5240 <programlisting>
5241 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
5242 </programlisting>
5243 so we can use it to build commands:
5244 <programlisting>
5245 expr' = proc x -> do
5246                 returnA -&lt; x
5247         &lt;+> do
5248                 symbol Plus -&lt; ()
5249                 y &lt;- term -&lt; ()
5250                 expr' -&lt; x + y
5251         &lt;+> do
5252                 symbol Minus -&lt; ()
5253                 y &lt;- term -&lt; ()
5254                 expr' -&lt; x - y
5255 </programlisting>
5256 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
5257 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
5258 expression on the previous line.)
5259 This is equivalent to
5260 <programlisting>
5261 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
5262         &lt;+> (proc x -> do
5263                 symbol Plus -&lt; ()
5264                 y &lt;- term -&lt; ()
5265                 expr' -&lt; x + y)
5266         &lt;+> (proc x -> do
5267                 symbol Minus -&lt; ()
5268                 y &lt;- term -&lt; ()
5269                 expr' -&lt; x - y)
5270 </programlisting>
5271 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
5272 (representing the environment input to the command
5273 and thence to its subcommands)
5274 and satisfy the corresponding naturality property
5275 <screen>
5276 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
5277 </screen>
5278 at least for strict <literal>k</literal>.
5279 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
5280 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
5281 of the whole command,
5282 and also allows the translation to safely trim these environments.
5283 The operator must also not use any variable defined within the current
5284 arrow abstraction.
5285 </para>
5286
5287 <para>
5288 We could define our own operator
5289 <programlisting>
5290 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
5291 untilA body cond = proc x ->
5292         if cond x then returnA -&lt; ()
5293         else do
5294                 body -&lt; x
5295                 untilA body cond -&lt; x
5296 </programlisting>
5297 and use it in the same way.
5298 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
5299 there is also a more general syntax involving special brackets:
5300 <screen>
5301 proc x -> do
5302         y &lt;- f -&lt; x+1
5303         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
5304 </screen>
5305 </para>
5306
5307 </sect2>
5308
5309 <sect2>
5310 <title>Primitive constructs</title>
5311
5312 <para>
5313 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
5314 For example, in an arrow type supporting exceptions,
5315 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
5316 exception that occurred to the handler.
5317 Such an operator might have a type
5318 <screen>
5319 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
5320 </screen>
5321 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
5322 You could then use this with arrow notation by writing a command
5323 <screen>
5324 body `handleA` \ ex -> handler
5325 </screen>
5326 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
5327 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
5328 and the command <literal>handler</literal>,
5329 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
5330 Though the syntax here looks like a functional lambda,
5331 we are talking about commands, and something different is going on.
5332 The input to the arrow represented by a command consists of values for
5333 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
5334 In all the prior examples, this stack was empty.
5335 In the second argument to <function>handleA</function>,
5336 this stack consists of one value, the value of the exception.
5337 The command form of lambda merely gives this value a name.
5338 </para>
5339
5340 <para>
5341 More concretely,
5342 the values on the stack are paired to the right of the environment.
5343 So operators like <function>handleA</function> that pass
5344 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
5345 by pairing the values with the environment in this way.
5346 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
5347 should have the form
5348 <screen>
5349 a (...(e,t1), ... tn) t
5350 </screen>
5351 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
5352 (representing the environment)
5353 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
5354 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
5355 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
5356 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
5357 <replaceable>t</replaceable>.
5358 However the arrows involved need not be the same.
5359 Here are some more examples of suitable operators:
5360 <screen>
5361 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
5362 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
5363 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
5364 </screen>
5365 We can supply the extra input required by commands built with the last two
5366 by applying them to ordinary expressions, as in
5367 <screen>
5368 proc x -> do
5369         s &lt;- ...
5370         (|runReader (do { ... })|) s
5371 </screen>
5372 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
5373 built using <function>runReader</function>.
5374 </para>
5375
5376 <para>
5377 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
5378 the expression versions.
5379 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
5380 These three features (operators, lambda abstraction and application)
5381 are the core of the notation; everything else can be built using them,
5382 though the results would be somewhat clumsy.
5383 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
5384 <programlisting>
5385 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
5386 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
5387
5388 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
5389 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
5390 </programlisting>
5391 We could simulate <literal>if</literal> by defining
5392 <programlisting>
5393 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
5394 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
5395 </programlisting>
5396 </para>
5397
5398 </sect2>
5399
5400 <sect2>
5401 <title>Differences with the paper</title>
5402
5403 <itemizedlist>
5404
5405 <listitem>
5406 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
5407 translations, the implementation provides two forms
5408 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
5409 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
5410 </para>
5411 </listitem>
5412
5413 <listitem>
5414 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
5415 a new <literal>form</literal> keyword.
5416 </para>
5417 </listitem>
5418
5419 </itemizedlist>
5420
5421 </sect2>
5422
5423 <sect2>
5424 <title>Portability</title>
5425
5426 <para>
5427 Although only GHC implements arrow notation directly,
5428 there is also a preprocessor
5429 (available from the 
5430 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
5431 that translates arrow notation into Haskell 98
5432 for use with other Haskell systems.
5433 You would still want to check arrow programs with GHC;
5434 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
5435 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
5436 additional restrictions:
5437 <itemizedlist>
5438
5439 <listitem>
5440 <para>
5441 The module must import
5442 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
5443 </para>
5444 </listitem>
5445
5446 <listitem>
5447 <para>
5448 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
5449 These would have to go in separate modules.
5450 </para>
5451 </listitem>
5452
5453 <listitem>
5454 <para>
5455 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
5456 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
5457 </para>
5458 </listitem>
5459
5460 </itemizedlist>
5461 </para>
5462
5463 </sect2>
5464
5465 </sect1>
5466
5467 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
5468
5469 <sect1 id="bang-patterns">
5470 <title>Bang patterns
5471 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
5472 </title>
5473 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
5474 patterns</emphasis>.   Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
5475 The <ulink
5476 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
5477 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
5478 than the material below.
5479 </para>
5480 <para>
5481 Bang patterns are enabled by the flag <option>-XBangPatterns</option>.
5482 </para>
5483
5484 <sect2 id="bang-patterns-informal">
5485 <title>Informal description of bang patterns
5486 </title>
5487 <para>
5488 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
5489 <programlisting>
5490   pat ::= !pat
5491 </programlisting>
5492 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
5493 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
5494 Example:
5495 <programlisting>
5496 f1 !x = True
5497 </programlisting>
5498 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
5499 whereas without the bang it would be lazy.
5500 Bang patterns can be nested of course:
5501 <programlisting>
5502 f2 (!x, y) = [x,y]
5503 </programlisting>
5504 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
5505 <literal>y</literal>.  
5506 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
5507 <programlisting>
5508 f3 !(x,y) = [x,y]
5509 f4 (x,y)  = [x,y]
5510 </programlisting>
5511 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; putting a bang before a pattern that
5512 forces evaluation anyway does nothing.
5513 </para><para>
5514 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
5515 <programlisting>
5516 g5 x = let y = f x in body
5517 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
5518 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
5519 </programlisting>
5520 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
5521 But <literal>g7</literal> evaluates <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
5522 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
5523 </para><para>
5524 Bang patterns work in <literal>let</literal> and <literal>where</literal>
5525 definitions too. For example:
5526 <programlisting>
5527 let ![x,y] = e in b
5528 </programlisting>
5529 is a strict pattern: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
5530 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>
5531 The "<literal>!</literal>" should not be regarded as part of the pattern; after all,
5532 in a function argument <literal>![x,y]</literal> means the 
5533 same as <literal>[x,y]</literal>.  Rather, the "<literal>!</literal>" 
5534 is part of the syntax of <literal>let</literal> bindings.
5535 </para>
5536 </sect2>
5537
5538
5539 <sect2 id="bang-patterns-sem">
5540 <title>Syntax and semantics
5541 </title>
5542 <para>
5543
5544 We add a single new production to the syntax of patterns:
5545 <programlisting>
5546   pat ::= !pat
5547 </programlisting>
5548 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
5549 <programlisting>
5550 f !x = 3
5551 </programlisting>
5552 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
5553 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
5554 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
5555 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
5556 prefix notation:
5557 <programlisting>
5558 (!) f x = 3
5559 </programlisting>
5560 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
5561 url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
5562 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
5563 one extra item 10, saying:
5564 <itemizedlist><listitem><para>Matching
5565 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
5566 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
5567                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
5568                 <literal>v</literal></para></listitem>
5569 </itemizedlist>
5570 </para></listitem></itemizedlist>
5571 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
5572 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
5573 <programlisting>
5574 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
5575    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
5576 </programlisting>
5577 </para><para>
5578 That leaves let expressions, whose translation is given in 
5579 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
5580 3.12</ulink>
5581 of the Haskell Report.
5582 In the translation box, first apply 
5583 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
5584 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
5585 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
5586 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
5587 </para>
5588 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
5589 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
5590 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
5591 thus:
5592 <programlisting>
5593   let !y = f x in b
5594 </programlisting>
5595
5596 </para>
5597 <para>
5598 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
5599 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
5600 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
5601      is equivalent to
5602 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
5603 </para>
5604 <para>
5605 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
5606 a module.
5607 </para>
5608 </sect2>
5609 </sect1>
5610
5611 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
5612
5613 <sect1 id="assertions">
5614 <title>Assertions
5615 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
5616 </title>
5617
5618 <para>
5619 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
5620 could define a function like the following:
5621 </para>
5622
5623 <para>
5624
5625 <programlisting>
5626 assert :: Bool -> a -> a
5627 assert False x = error "assertion failed!"
5628 assert _     x = x
5629 </programlisting>
5630
5631 </para>
5632
5633 <para>
5634 which works, but gives you back a less than useful error message --
5635 an assertion failed, but which and where?
5636 </para>
5637
5638 <para>
5639 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
5640 takes a descriptive string to include in the error message and
5641 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
5642 the source location where <function>assert</function> was used.
5643 </para>
5644
5645 <para>
5646 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
5647 use of <function>assert</function> in the user's source:
5648 </para>
5649
5650 <para>
5651
5652 <programlisting>
5653 kelvinToC :: Double -> Double
5654 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
5655 </programlisting>
5656
5657 </para>
5658
5659 <para>
5660 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
5661 assertion was made,
5662 </para>
5663
5664 <para>
5665
5666 <programlisting>
5667 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
5668 </programlisting>
5669
5670 </para>
5671
5672 <para>
5673 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
5674 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
5675 can still define and use your own versions of
5676 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
5677 <literal>Control.Exception</literal> to make use
5678 <function>assert</function> in your code.
5679 </para>
5680
5681 <para>
5682 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
5683       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
5684 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
5685 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
5686       <option>-fignore-asserts</option>
5687       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
5688       </indexterm>.</para>
5689
5690 <para>
5691 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
5692 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
5693 </para>
5694
5695 </sect1>
5696
5697
5698 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
5699
5700   <sect1 id="pragmas">
5701     <title>Pragmas</title>
5702
5703     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
5704
5705     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
5706     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
5707     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
5708     of the generated code.</para>
5709
5710     <para>Pragmas all take the form
5711
5712 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
5713
5714     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
5715     pragma, and is followed optionally by information specific to that
5716     type of pragma.  Case is ignored in
5717     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
5718     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
5719     in the following sections; any pragma encountered with an
5720     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
5721     ignored.</para>
5722
5723     <para>Certain pragmas are <emphasis>file-header pragmas</emphasis>.  A file-header
5724       pragma must precede the <literal>module</literal> keyword in the file.  
5725       There can be as many file-header pragmas as you please, and they can be
5726       preceded or followed by comments.</para>
5727
5728     <sect2 id="language-pragma">
5729       <title>LANGUAGE pragma</title>
5730
5731       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5732       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
5733
5734       <para>The <literal>LANGUAGE</literal> pragma allows language extensions to be enabled 
5735         in a portable way.
5736         It is the intention that all Haskell compilers support the
5737         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
5738         all extensions are supported by all compilers, of
5739         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
5740         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
5741
5742       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
5743
5744 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
5745
5746         <para><literal>LANGUAGE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
5747
5748       <para>Every language extension can also be turned into a command-line flag
5749         by prefixing it with "<literal>-X</literal>"; for example <option>-XForeignFunctionInterface</option>.
5750         (Similarly, all "<literal>-X</literal>" flags can be written as <literal>LANGUAGE</literal> pragmas.
5751       </para>
5752
5753       <para>A list of all supported language extensions can be obtained by invoking
5754         <literal>ghc --supported-languages</literal> (see <xref linkend="modes"/>).</para>
5755
5756       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
5757         <ulink
5758           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink>
5759         may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
5760     </sect2>
5761
5762
5763     <sect2 id="options-pragma">
5764       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
5765       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
5766       </indexterm>
5767       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
5768       </indexterm>
5769
5770       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
5771       additional options that are given to the compiler when compiling
5772       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
5773       details.</para>
5774
5775       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
5776         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
5777     </sect2>
5778
5779         <para><literal>OPTIONS_GHC</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
5780
5781     <sect2 id="include-pragma">
5782       <title>INCLUDE pragma</title>
5783
5784       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
5785         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
5786         the C source code generated by the compiler for the current module (if
5787         compiling via C).  For example:</para>
5788
5789 <programlisting>
5790 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
5791 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
5792
5793         <para><literal>INCLUDE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
5794
5795       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
5796         to the <option>-#include</option> option (<xref
5797           linkend="options-C-compiler" />), because the
5798         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
5799         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
5800         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
5801         don't recommend using this approach with GHC.</para>
5802     </sect2>
5803
5804     <sect2 id="deprecated-pragma">
5805       <title>DEPRECATED pragma</title>
5806       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
5807       </indexterm>
5808
5809       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
5810       function, class, or type, is deprecated.  There are two
5811       forms.
5812
5813       <itemizedlist>
5814         <listitem>
5815           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
5816 <programlisting>
5817    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
5818      ...
5819 </programlisting>
5820           <para>When you compile any module that import
5821           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
5822           message.</para>
5823         </listitem>
5824
5825         <listitem>
5826           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
5827           following top-level declaration:</para>
5828 <programlisting>
5829    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
5830 </programlisting>
5831           <para>When you compile any module that imports and uses any
5832           of the specified entities, GHC will print the specified
5833           message.</para>
5834           <para> You can only deprecate entities declared at top level in the module
5835           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
5836           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
5837           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
5838           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
5839           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
5840           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
5841         </listitem>
5842       </itemizedlist>
5843       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
5844       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
5845       deprecations are not reported for
5846       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
5847       (b) uses of a deprecated function in an export list.
5848       The latter reduces spurious complaints within a library
5849       in which one module gathers together and re-exports 
5850       the exports of several others.
5851       </para>
5852       <para>You can suppress the warnings with the flag
5853       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
5854     </sect2>
5855
5856     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
5857       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
5858
5859       <para>These pragmas control the inlining of function
5860       definitions.</para>
5861
5862       <sect3 id="inline-pragma">
5863         <title>INLINE pragma</title>
5864         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
5865
5866         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
5867         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
5868         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
5869         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
5870         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
5871         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
5872         export that unfolding for other modules to use.</para>
5873
5874         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
5875         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
5876         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
5877
5878 <programlisting>
5879 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
5880
5881 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5882 {-# INLINE key_function #-}
5883 #endif
5884 </programlisting>
5885
5886         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
5887         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
5888         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
5889
5890         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
5891         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
5892         The normal unfolding machinery will then be very keen to
5893         inline it.  However, an <literal>INLINE</literal> pragma for a 
5894         function "<literal>f</literal>" has a number of other effects:
5895 <itemizedlist>
5896 <listitem><para>
5897 No funtions are inlined into <literal>f</literal>.  Otherwise
5898 GHC might inline a big function into <literal>f</literal>'s right hand side, 
5899 making <literal>f</literal> big; and then inline <literal>f</literal> blindly.
5900 </para></listitem>
5901 <listitem><para>
5902 The float-in, float-out, and common-sub-expression transformations are not 
5903 applied to the body of <literal>f</literal>.  
5904 </para></listitem>
5905 <listitem><para>
5906 An INLINE function is not worker/wrappered by strictness analysis.
5907 It's going to be inlined wholesale instead.
5908 </para></listitem>
5909 </itemizedlist>
5910 All of these effects are aimed at ensuring that what gets inlined is
5911 exactly what you asked for, no more and no less.
5912 </para>
5913         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
5914         function can be put anywhere its type signature could be
5915         put.</para>
5916
5917         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
5918         good idea for the
5919         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
5920         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
5921         a monad.  For example, in GHC's own
5922         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
5923
5924 <programlisting>
5925 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5926 {-# INLINE thenUs #-}
5927 {-# INLINE returnUs #-}
5928 #endif
5929 </programlisting>
5930
5931         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
5932         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
5933       </sect3>
5934
5935       <sect3 id="noinline-pragma">
5936         <title>NOINLINE pragma</title>
5937         
5938         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
5939         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
5940
5941         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
5942         you'd expect: it stops the named function from being inlined
5943         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
5944         you're very cautious about code size.</para>
5945
5946         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
5947         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
5948         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
5949         inlining, so it should be used if you want your code to be
5950         portable).</para>
5951       </sect3>
5952
5953       <sect3 id="phase-control">
5954         <title>Phase control</title>
5955
5956         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
5957         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
5958         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
5959         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
5960         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
5961         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
5962         sequence of phase numbers for successive runs of the
5963         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
5964         phase number, thus:
5965         <itemizedlist>
5966           <listitem>
5967             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5968             <literal>f</literal>
5969               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5970               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
5971             </para></listitem>
5972           <listitem>
5973             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
5974             <literal>f</literal>
5975               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5976               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5977             </para></listitem>
5978           <listitem>
5979             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5980             <literal>f</literal>
5981               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5982               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
5983               there was no pragma).
5984             </para></listitem>
5985             <listitem>
5986             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
5987             <literal>f</literal>
5988               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5989               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5990             </para></listitem>
5991         </itemizedlist>
5992 The same information is summarised here:
5993 <programlisting>
5994                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
5995   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
5996   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
5997   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
5998   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
5999
6000   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
6001   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
6002 </programlisting>
6003 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
6004 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
6005 Another way to understand the semantics is this:
6006 <itemizedlist>
6007 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
6008 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
6009 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
6010 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
6011 happen.
6012 </para></listitem>
6013 </itemizedlist>
6014 </para>
6015 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
6016         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
6017       </sect3>
6018     </sect2>
6019
6020     <sect2 id="line-pragma">
6021       <title>LINE pragma</title>
6022
6023       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
6024       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
6025       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
6026       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
6027       code.  It lets you specify the line number and filename of the
6028       original code; for example</para>
6029
6030 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
6031
6032       <para>if you'd generated the current file from something called
6033       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
6034       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
6035       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
6036       pragma.</para>
6037     </sect2>
6038
6039     <sect2 id="rules">
6040       <title>RULES pragma</title>
6041
6042       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
6043       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
6044     </sect2>
6045
6046     <sect2 id="specialize-pragma">
6047       <title>SPECIALIZE pragma</title>
6048
6049       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
6050       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
6051       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
6052
6053       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
6054       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
6055       specialised to particular types.  Thus, if you have an
6056       overloaded function:</para>
6057
6058 <programlisting>
6059   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
6060 </programlisting>
6061
6062       <para>If it is heavily used on lists with
6063       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
6064       follows:</para>
6065
6066 <programlisting>
6067   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
6068 </programlisting>
6069
6070       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
6071       be put anywhere its type signature could be put.</para>
6072
6073       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
6074       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
6075       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
6076       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
6077
6078       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
6079         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
6080         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
6081 <programlisting>
6082   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
6083 </programlisting>
6084       is valid if and only if the definition
6085 <programlisting>
6086   f_spec :: &lt;type&gt;
6087   f_spec = f
6088 </programlisting>
6089       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
6090       for the original function, not its code):
6091 <programlisting>
6092   f :: Eq a => a -> b -> b
6093   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
6094
6095   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
6096   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
6097
6098   h :: Eq a => a -> a -> a
6099   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
6100 </programlisting>
6101 The last of these examples will generate a 
6102 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
6103 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
6104 </para>
6105
6106 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
6107 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
6108 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
6109 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised version of the
6110 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
6111 example is this:
6112 <programlisting>
6113 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
6114 data Arr e where
6115   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
6116   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
6117
6118 (!:) :: Arr e -> Int -> e
6119 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
6120 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
6121 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
6122 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
6123 </programlisting>
6124 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
6125 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
6126 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
6127 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
6128 <literal>(!:)</literal>,
6129 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
6130 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
6131 unrolling of the indexing function.</para>
6132 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
6133 on an ordinarily-recursive function.</para>
6134
6135       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
6136       specialised function for a given type:
6137
6138 <programlisting>
6139 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
6140 </programlisting>
6141
6142       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
6143       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
6144
6145     </sect2>
6146
6147 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
6148 <title>SPECIALIZE instance pragma
6149 </title>
6150
6151 <para>
6152 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
6153 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
6154 Same idea, except for instance declarations.  For example:
6155
6156 <programlisting>
6157 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
6158    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
6159    ... usual stuff ...
6160  }
6161 </programlisting>
6162 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
6163 of the instance declaration.
6164 </para>
6165 <para>
6166 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
6167 of the pragma.
6168 </para>
6169
6170 </sect2>
6171
6172     <sect2 id="unpack-pragma">
6173       <title>UNPACK pragma</title>
6174
6175       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
6176       
6177       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
6178       that it should unpack the contents of a constructor field into
6179       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
6180       example:</para>
6181
6182 <programlisting>
6183 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
6184            {-# UNPACK #-} !Float
6185 </programlisting>
6186
6187       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
6188       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
6189       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
6190       floats passed to a non-strict function for example, they will
6191       have to be reboxed (this is done automatically by the
6192       compiler).</para>
6193
6194       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
6195       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
6196       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
6197       often as possible.  For example:</para>
6198
6199 <programlisting>
6200 f :: T -&#62; Float
6201 f (T f1 f2) = f1 + f2
6202 </programlisting>
6203
6204       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
6205       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
6206       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
6207
6208       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
6209       example</para>
6210
6211 <programlisting>
6212 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
6213 </programlisting>
6214
6215       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
6216       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
6217       Multi-level unpacking is also supported:</para>
6218
6219 <programlisting>
6220 data T = T {-# UNPACK #-} !S
6221 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
6222 </programlisting>
6223
6224       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
6225       directly in the <function>T</function> constructor.  The
6226       unpacker can see through newtypes, too.</para>
6227
6228       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
6229       so it might be an idea to check the generated code with
6230       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
6231
6232       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
6233       which essentially has the effect of adding
6234       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
6235       constructor field.</para>
6236     </sect2>
6237
6238 </sect1>
6239
6240 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
6241
6242 <sect1 id="rewrite-rules">
6243 <title>Rewrite rules
6244
6245 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
6246 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
6247 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
6248
6249 <para>
6250 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
6251 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
6252 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
6253 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
6254 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified, and (c) the
6255 <option>-fglasgow-exts</option> (<xref linkend="options-language"/>)
6256 flag is active.
6257 </para>
6258
6259 <para>
6260 Here is an example:
6261
6262 <programlisting>
6263   {-# RULES
6264         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
6265   #-}
6266 </programlisting>
6267
6268 </para>
6269
6270 <sect2>
6271 <title>Syntax</title>
6272
6273 <para>
6274 From a syntactic point of view:
6275
6276 <itemizedlist>
6277 <listitem>
6278
6279 <para>
6280  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
6281 </para>
6282 </listitem>
6283
6284 <listitem>
6285
6286 <para>
6287  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
6288 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
6289 </para>
6290 </listitem>
6291
6292 <listitem>
6293 <para>
6294 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
6295 immediately after the name of the rule.  Thus:
6296 <programlisting>
6297   {-# RULES
6298         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
6299   #-}
6300 </programlisting>
6301 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
6302 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
6303 Phase 2.
6304 </para>
6305 </listitem>
6306
6307
6308 <listitem>
6309
6310 <para>
6311  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
6312 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
6313 enclosing definitions.
6314 </para>
6315 </listitem>
6316
6317 <listitem>
6318
6319 <para>
6320  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
6321 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
6322 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
6323 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
6324 </para>
6325 </listitem>
6326 <listitem>
6327
6328 <para>
6329  A pattern variable may optionally have a type signature.
6330 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
6331 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
6332
6333 <programlisting>
6334 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
6335               foldr k z (build g) = g k z
6336 </programlisting>
6337
6338 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
6339
6340 </para>
6341 </listitem>
6342 <listitem>
6343
6344 <para>
6345 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
6346 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
6347
6348 <programlisting>
6349 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
6350 "wrong2"   forall f.      f True = True
6351 </programlisting>
6352
6353 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
6354 in the head.
6355 </para>
6356 </listitem>
6357 <listitem>
6358
6359 <para>
6360  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
6361 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
6362 </para>
6363 </listitem>
6364 <listitem>
6365
6366 <para>
6367  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
6368 </para>
6369 </listitem>
6370
6371 </itemizedlist>
6372
6373 </para>
6374
6375 </sect2>
6376
6377 <sect2>
6378 <title>Semantics</title>
6379
6380 <para>
6381 From a semantic point of view:
6382
6383 <itemizedlist>
6384 <listitem>
6385
6386 <para>
6387 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
6388 </para>
6389 </listitem>
6390
6391 <listitem>
6392 <para>
6393  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
6394 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
6395 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
6396 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
6397 expression by substituting for the pattern variables.
6398
6399 </para>
6400 </listitem>
6401 <listitem>
6402
6403 <para>
6404  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
6405 same type.
6406
6407 </para>
6408 </listitem>
6409 <listitem>
6410
6411 <para>
6412  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
6413 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
6414 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
6415
6416 </para>
6417 </listitem>
6418 <listitem>
6419
6420 <para>
6421  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
6422 terminating.  For example:
6423
6424 <programlisting>
6425   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
6426 </programlisting>
6427
6428 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
6429
6430 </para>
6431 </listitem>
6432 <listitem>
6433
6434 <para>
6435  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
6436
6437 </para>
6438 </listitem>
6439 <listitem>
6440 <para>
6441  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
6442 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
6443 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
6444 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
6445 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
6446 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
6447 </para>
6448
6449 <para>
6450 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
6451 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
6452 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
6453 </para>
6454 </listitem>
6455 <listitem>
6456
6457 <para>
6458  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
6459 For example, consider:
6460
6461 <programlisting>
6462   let s = map f
6463       t = map g
6464   in
6465   s (t xs)
6466 </programlisting>
6467
6468 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
6469 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
6470 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
6471 not be substituted, and the rule would not fire.
6472
6473 </para>
6474 </listitem>
6475 <listitem>
6476
6477 <para>
6478  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
6479 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
6480 for something you can't match against it (given the simple minded
6481 matching).  So if you write the rule
6482
6483 <programlisting>
6484         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
6485 </programlisting>
6486
6487 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
6488 It will only match something written with explicit use of ".".
6489 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
6490
6491 <programlisting>
6492 wibble f g xs
6493 </programlisting>
6494
6495 where <function>wibble</function> is defined:
6496
6497 <programlisting>
6498 wibble f g = map f . map g
6499 </programlisting>
6500
6501 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
6502
6503 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
6504 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
6505 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
6506
6507 </para>
6508 </listitem>
6509 <listitem>
6510
6511 <para>
6512  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
6513 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
6514 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
6515 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
6516 declarations.
6517 </para>
6518 </listitem>
6519
6520 </itemizedlist>
6521
6522 </para>
6523
6524 </sect2>
6525
6526 <sect2>
6527 <title>List fusion</title>
6528
6529 <para>
6530 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
6531 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
6532 intermediate list should be eliminated entirely.
6533 </para>
6534
6535 <para>
6536 The following are good producers:
6537
6538 <itemizedlist>
6539 <listitem>
6540
6541 <para>
6542  List comprehensions
6543 </para>
6544 </listitem>
6545 <listitem>
6546
6547 <para>
6548  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
6549 </para>
6550 </listitem>
6551 <listitem>
6552
6553 <para>
6554  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
6555 </para>
6556 </listitem>
6557 <listitem>
6558
6559 <para>
6560  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
6561 </para>
6562 </listitem>
6563 <listitem>
6564
6565 <para>
6566  <function>++</function>
6567 </para>
6568 </listitem>
6569
6570 <listitem>
6571 <para>
6572  <function>map</function>
6573 </para>
6574 </listitem>
6575
6576 <listitem>
6577 <para>
6578 <function>take</function>, <function>filter</function>
6579 </para>
6580 </listitem>
6581 <listitem>
6582
6583 <para>
6584  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
6585 </para>
6586 </listitem>
6587 <listitem>
6588
6589 <para>
6590  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
6591 </para>
6592 </listitem>
6593
6594 </itemizedlist>
6595
6596 </para>
6597
6598 <para>
6599 The following are good consumers:
6600
6601 <itemizedlist>
6602 <listitem>
6603
6604 <para>
6605  List comprehensions
6606 </para>
6607 </listitem>
6608 <listitem>
6609
6610 <para>
6611  <function>array</function> (on its second argument)
6612 </para>
6613 </listitem>
6614 <listitem>
6615
6616 <para>
6617  <function>++</function> (on its first argument)
6618 </para>
6619 </listitem>
6620
6621 <listitem>
6622 <para>
6623  <function>foldr</function>
6624 </para>
6625 </listitem>
6626
6627 <listitem>
6628 <para>
6629  <function>map</function>
6630 </para>
6631 </listitem>
6632 <listitem>
6633
6634 <para>
6635 <function>take</function>, <function>filter</function>
6636 </para>
6637 </listitem>
6638 <listitem>
6639
6640 <para>
6641  <function>concat</function>
6642 </para>
6643 </listitem>
6644 <listitem>
6645
6646 <para>
6647  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
6648 </para>
6649 </listitem>
6650 <listitem>
6651
6652 <para>
6653  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
6654 will fuse with one but not the other)
6655 </para>
6656 </listitem>
6657 <listitem>
6658
6659 <para>
6660  <function>partition</function>
6661 </para>
6662 </listitem>
6663 <listitem>
6664
6665 <para>
6666  <function>head</function>
6667 </para>
6668 </listitem>
6669 <listitem>
6670
6671 <para>
6672  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
6673 </para>
6674 </listitem>
6675 <listitem>
6676
6677 <para>
6678  <function>sequence&lowbar;</function>
6679 </para>
6680 </listitem>
6681 <listitem>
6682
6683 <para>
6684  <function>msum</function>
6685 </para>
6686 </listitem>
6687 <listitem>
6688
6689 <para>
6690  <function>sortBy</function>
6691 </para>
6692 </listitem>
6693
6694 </itemizedlist>
6695
6696 </para>
6697
6698  <para>
6699 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
6700
6701 <programlisting>
6702 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
6703 </programlisting>
6704
6705 </para>
6706
6707 <para>
6708 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
6709 a lot which are not included, please tell us.
6710 </para>
6711
6712 <para>
6713 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
6714 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
6715 </para>
6716
6717 </sect2>
6718
6719 <sect2 id="rule-spec">
6720 <title>Specialisation
6721 </title>
6722
6723 <para>
6724 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
6725 present in earlier versions of GHC.
6726 For example, suppose that:
6727
6728 <programlisting>
6729 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
6730 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
6731 </programlisting>
6732
6733 where <function>intLookup</function> is an implementation of
6734 <function>genericLookup</function> that works very fast for
6735 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
6736 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
6737 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
6738 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
6739 It used to be possible to write
6740
6741 <programlisting>
6742 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
6743 </programlisting>
6744
6745 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
6746
6747 <programlisting>
6748 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
6749 </programlisting>
6750
6751 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
6752 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
6753 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
6754 What is more, this rule does not need to be in the same
6755 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
6756 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
6757 have an original definition available to specialise).
6758 </para>
6759
6760 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
6761 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
6762 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
6763
6764 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
6765 specialisation will Win Big:
6766
6767 <programlisting>
6768 toDouble :: Real a => a -> Double
6769 toDouble = fromRational . toRational
6770
6771 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
6772 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
6773 </programlisting>
6774
6775 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
6776 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
6777 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
6778 comparison.
6779 </para>
6780
6781 </sect2>
6782
6783 <sect2>
6784 <title>Controlling what's going on</title>
6785
6786 <para>
6787
6788 <itemizedlist>
6789 <listitem>
6790
6791 <para>
6792  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
6793 </para>
6794 </listitem>
6795 <listitem>
6796
6797 <para>
6798  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
6799 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
6800 </para>
6801 </listitem>
6802 <listitem>
6803
6804 <para>
6805  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks like this:
6806
6807 <programlisting>
6808         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
6809         {-# INLINE build #-}
6810         build g = g (:) []
6811 </programlisting>
6812
6813 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
6814 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
6815 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
6816 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
6817
6818 </para>
6819 </listitem>
6820 <listitem>
6821
6822 <para>
6823  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
6824 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
6825 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
6826 </para>
6827 </listitem>
6828
6829 </itemizedlist>
6830
6831 </para>
6832
6833 </sect2>
6834
6835 <sect2 id="core-pragma">
6836   <title>CORE pragma</title>
6837
6838   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
6839   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
6840   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
6841
6842 <para>
6843   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
6844   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
6845   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
6846   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
6847   literal as an argument.  The following function definition shows an
6848   example:
6849
6850 <programlisting>
6851 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
6852 </programlisting>
6853
6854   Semantically, this is equivalent to:
6855
6856 <programlisting>
6857 g x = show x
6858 </programlisting>
6859 </para>
6860
6861 <para>
6862   However, when external for is generated (via
6863   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
6864   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
6865   The core function declaration for <function>f</function> is:
6866 </para>
6867
6868 <programlisting>
6869   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
6870                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
6871     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
6872         (%note "foo"
6873          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
6874            {GHCziShow.ZCDShow
6875             (tpl1::GHCziBase.Int ->
6876                    a ->
6877                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6878 r)
6879             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
6880             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
6881                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6882 r) ->
6883               tpl2})
6884         (%note "bar"
6885          eta);
6886 </programlisting>
6887
6888 <para>
6889   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
6890   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
6891   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
6892   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
6893   <varname>x</varname>).
6894 </para>
6895
6896 </sect2>
6897
6898 </sect1>
6899
6900 <sect1 id="special-ids">
6901 <title>Special built-in functions</title>
6902 <para>GHC has a few built-in functions with special behaviour.  These
6903 are now described in the module <ulink
6904 url="../libraries/base/GHC-Prim.html"><literal>GHC.Prim</literal></ulink>
6905 in the library documentation.</para>
6906 </sect1>
6907
6908
6909 <sect1 id="generic-classes">
6910 <title>Generic classes</title>
6911
6912 <para>
6913 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
6914 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
6915 An example will give the idea:
6916 </para>
6917
6918 <programlisting>
6919   import Generics
6920
6921   class Bin a where
6922     toBin   :: a -> [Int]
6923     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
6924   
6925     toBin {| Unit |}    Unit      = []
6926     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
6927     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
6928     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
6929   
6930     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
6931     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
6932     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
6933     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
6934                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
6935 </programlisting>
6936 <para>
6937 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
6938 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
6939 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
6940 </para>
6941 <programlisting>
6942   data Unit    = Unit
6943   data a :+: b = Inl a | Inr b
6944   data a :*: b = a :*: b
6945 </programlisting>
6946 <para>
6947 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
6948 <programlisting>
6949   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
6950   instance Bin a => Bin [a]
6951 </programlisting>
6952 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
6953 where clause and over-ride whichever methods you please.
6954 </para>
6955
6956     <sect2>
6957       <title> Using generics </title>
6958       <para>To use generics you need to</para>
6959       <itemizedlist>
6960         <listitem>
6961           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
6962                 <option>-XGenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
6963                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
6964                 available.  </para>
6965         </listitem>
6966         <listitem>
6967           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
6968           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
6969           scope the data types <literal>Unit</literal>,
6970           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
6971           don't need this import if you don't mention these types
6972           explicitly; for example, if you are simply giving instance
6973           declarations.)</para>
6974         </listitem>
6975       </itemizedlist>
6976     </sect2>
6977
6978 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
6979 <para>
6980 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
6981 can be written infix (indeed, you can now use
6982 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
6983 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
6984 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
6985 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
6986 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
6987 anticipate wanting).
6988 </para>
6989 </sect2>
6990
6991 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
6992 <para>
6993 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
6994 is one that is defined using type patterns as above.
6995 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
6996 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
6997 generic default method.
6998 </para>
6999
7000 <para>
7001 Restrictions:
7002 <itemizedlist>
7003 <listitem>
7004 <para>
7005 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
7006 field labels.
7007 </para>
7008 </listitem>
7009
7010 <listitem>
7011 <para>
7012 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
7013 multi-parameter class.
7014 </para>
7015 </listitem>
7016
7017 <listitem>
7018 <para>
7019 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
7020 without.  So this is illegal:
7021 <programlisting>
7022   class Foo a where
7023     op :: a -> (a, Bool)
7024     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
7025     op x               = (x,    False)
7026 </programlisting>
7027 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
7028 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
7029 </para>
7030 </listitem>
7031
7032 <listitem>
7033 <para>
7034 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
7035 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:
7036 <programlisting>
7037   class Foo a where
7038     op :: a -> Bool
7039     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
7040     ...
7041 </programlisting>
7042 </para>
7043 </listitem>
7044
7045 <listitem>
7046 <para>
7047 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
7048 <programlisting>
7049        a :+: b
7050        a :*: b
7051        Unit
7052 </programlisting>
7053 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
7054 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
7055 must use the same type variables.  So this is illegal:
7056 <programlisting>
7057   class Foo a where
7058     op :: a -> Bool
7059     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
7060     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
7061 </programlisting>
7062 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
7063 So this too is illegal:
7064 <programlisting>
7065   class Foo a where
7066     op1 :: a -> Bool
7067     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
7068
7069     op2 :: a -> Bool
7070     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
7071 </programlisting>
7072 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type constructor
7073 into a single generic instance declaration.)
7074 </para>
7075 </listitem>
7076
7077 <listitem>
7078 <para>
7079 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
7080 </para>
7081 </listitem>
7082
7083 <listitem>
7084 <para>
7085 The type for a generic method can be built only from:
7086   <itemizedlist>
7087   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
7088   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
7089   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
7090   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
7091   </itemizedlist>
7092 Here are some example type signatures for generic methods:
7093 <programlisting>
7094     op1 :: a -> Bool
7095     op2 :: Bool -> (a,Bool)
7096     op3 :: [Int] -> a -> a
7097     op4 :: [a] -> Bool
7098 </programlisting>
7099 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
7100 inside a list.  
7101 </para>
7102 <para>
7103 This restriction is an implementation restriction: we just haven't got around to
7104 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
7105 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
7106 to the ones that are allowed.</para>
7107 </listitem>
7108
7109 <listitem>
7110 <para>
7111 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
7112 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
7113 do so if
7114   <itemizedlist>
7115   <listitem>
7116   <para>
7117   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
7118   </para>
7119   </listitem>
7120   <listitem>
7121   <para>
7122   No constructor of the instance type has unboxed fields.
7123   </para>
7124   </listitem>
7125   </itemizedlist>
7126 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
7127 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
7128 provided you give explicit code to override any generic default methods.
7129 </para>
7130 </listitem>
7131
7132 </itemizedlist>
7133 </para>
7134
7135 <para>
7136 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
7137 what the compiler does with generic declarations.
7138 </para>
7139
7140 </sect2>
7141
7142 <sect2> <title> Another example </title>
7143 <para>
7144 Just to finish with, here's another example I rather like:
7145 <programlisting>
7146   class Tag a where
7147     nCons :: a -> Int
7148     nCons {| Unit |}    _ = 1
7149     nCons {| a :*: b |} _ = 1
7150     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
7151   
7152     tag :: a -> Int
7153     tag {| Unit |}    _       = 1
7154     tag {| a :*: b |} _       = 1   
7155     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
7156     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
7157 </programlisting>
7158 </para>
7159 </sect2>
7160 </sect1>
7161
7162 <sect1 id="monomorphism">
7163 <title>Control over monomorphism</title>
7164
7165 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
7166 carried out at let and where bindings.
7167 </para>
7168
7169 <sect2>
7170 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
7171           <indexterm><primary><option>-XNoMonomorphismRestriction</option></primary></indexterm>
7172
7173 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
7174 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
7175 4.5.5</ulink>
7176 of the Haskell Report)
7177 can be completely switched off by
7178 <option>-XNoMonomorphismRestriction</option>.
7179 </para>
7180 </sect2>
7181
7182 <sect2>
7183 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
7184           <indexterm><primary><option>-XNoMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
7185           <indexterm><primary><option>-XMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
7186
7187           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
7188           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
7189             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
7190             and is not a simple variable.  For example:
7191 <programlisting>
7192   f x = x                    -- Not a pattern binding
7193   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
7194   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
7195
7196   (g,h) = e                  -- A pattern binding
7197   (f) = e                    -- A pattern binding
7198   [x] = e                    -- A pattern binding
7199 </programlisting>
7200 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
7201 default</emphasis>.  Use <option>-XNoMonoPatBinds</option> to recover the
7202 standard behaviour.
7203 </para>
7204 </sect2>
7205 </sect1>
7206
7207
7208
7209 <!-- Emacs stuff:
7210      ;;; Local Variables: ***
7211      ;;; mode: xml ***
7212      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
7213      ;;; End: ***
7214  -->
7215