Improvements to record puns, wildcards
[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 flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>Language options can be controlled in two ways:
46     <itemizedlist>
47       <listitem><para>Every language option can switched on by a command-line flag "<option>-X...</option>" 
48         (e.g. <option>-XTemplateHaskell</option>), and switched off by the flag "<option>-XNo...</option>"; 
49         (e.g. <option>-XNoTemplateHaskell</option>).</para></listitem>
50       <listitem><para>
51           Language options recognised by Cabal can also be enabled using the <literal>LANGUAGE</literal> pragma,
52           thus <literal>{-# LANGUAGE TemplateHaskell #-}</literal> (see <xref linkend="language-pragma"/>). </para>
53           </listitem>
54       </itemizedlist></para>
55
56     <para>The flag <option>-fglasgow-exts</option>
57           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
58           is equivalent to enabling the following extensions: 
59           <option>-XPrintExplicitForalls</option>,
60           <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
61           <option>-XUnliftedFFITypes</option>,
62           <option>-XGADTs</option>,
63           <option>-XImplicitParams</option>,
64           <option>-XScopedTypeVariables</option>,
65           <option>-XUnboxedTuples</option>,
66           <option>-XTypeSynonymInstances</option>,
67           <option>-XStandaloneDeriving</option>,
68           <option>-XDeriveDataTypeable</option>,
69           <option>-XFlexibleContexts</option>,
70           <option>-XFlexibleInstances</option>,
71           <option>-XConstrainedClassMethods</option>,
72           <option>-XMultiParamTypeClasses</option>,
73           <option>-XFunctionalDependencies</option>,
74           <option>-XMagicHash</option>,
75           <option>-XPolymorphicComponents</option>,
76           <option>-XExistentialQuantification</option>,
77           <option>-XUnicodeSyntax</option>,
78           <option>-XPostfixOperators</option>,
79           <option>-XPatternGuards</option>,
80           <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
81           <option>-XRankNTypes</option>,
82           <option>-XImpredicativeTypes</option>,
83           <option>-XTypeOperators</option>,
84           <option>-XRecursiveDo</option>,
85           <option>-XParallelListComp</option>,
86           <option>-XEmptyDataDecls</option>,
87           <option>-XKindSignatures</option>,
88           <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
89           <option>-XTypeFamilies</option>.
90             Enabling these options is the <emphasis>only</emphasis> 
91             effect of <option>-fglasgow-exts</option>.
92           We are trying to move away from this portmanteau flag, 
93           and towards enabling features individually.</para>
94
95   </sect1>
96
97 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
98 <sect1 id="primitives">
99   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
100
101 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations;
102 "primitive" in the sense that they cannot be defined in Haskell itself.
103 While you really can use this stuff to write fast code,
104   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
105   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
106   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
107   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
108   about it.</para>
109
110 <para>All these primitive data types and operations are exported by the 
111 library <literal>GHC.Prim</literal>, for which there is 
112 <ulink url="../libraries/ghc-prim/GHC-Prim.html">detailed online documentation</ulink>.
113 (This documentation is generated from the file <filename>compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.)
114 </para>
115 <para>
116 If you want to mention any of the primitive data types or operations in your
117 program, you must first import <literal>GHC.Prim</literal> to bring them
118 into scope.  Many of them have names ending in "&num;", and to mention such
119 names you need the <option>-XMagicHash</option> extension (<xref linkend="magic-hash"/>).
120 </para>
121
122 <para>The primops make extensive use of <link linkend="glasgow-unboxed">unboxed types</link> 
123 and <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link>, which
124 we briefly summarise here. </para>
125   
126 <sect2 id="glasgow-unboxed">
127 <title>Unboxed types
128 </title>
129
130 <para>
131 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
132 </para>
133
134 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
135 that values of that type are represented by a pointer to a heap
136 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
137 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
138 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
139 allocation are involved.
140 </para>
141
142 <para>
143 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
144 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
145 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
146 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
147 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
148 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
149 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
150 know and love&mdash;usually one instruction.
151 </para>
152
153 <para>
154 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
155 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
156 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
157 bottom.  We use the convention (but it is only a convention) 
158 that primitive types, values, and
159 operations have a <literal>&num;</literal> suffix (see <xref linkend="magic-hash"/>).
160 For some primitive types we have special syntax for literals, also
161 described in the <link linkend="magic-hash">same section</link>.
162 </para>
163
164 <para>
165 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
166 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
167 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
168 a primitive value might be represented by a pointer to a
169 heap-allocated object.  Examples include
170 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
171 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
172 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
173 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
174 represents a primitive value, then it really does point to that value:
175 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
176 other end of the pointer than the primitive value.
177 A numerically-intensive program using unboxed types can
178 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
179 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
180 </para>
181
182 <para>
183 There are some restrictions on the use of primitive types:
184 <itemizedlist>
185 <listitem><para>The main restriction
186 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
187 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
188 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
189 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
190 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
191 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
192 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
193 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
194 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
195 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
196 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
197 </para>
198 </listitem>
199 <listitem><para> You cannot define a newtype whose representation type
200 (the argument type of the data constructor) is an unboxed type.  Thus,
201 this is illegal:
202 <programlisting>
203   newtype A = MkA Int#
204 </programlisting>
205 </para></listitem>
206 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
207 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
208 </para></listitem>
209 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
210 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
211 </para></listitem>
212 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
213 non-top-level) pattern binding, but you must make any such pattern-match
214 strict.  For example, rather than:
215 <programlisting>
216   data Foo = Foo Int Int#
217
218   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
219 </programlisting>
220 you must write:
221 <programlisting>
222   data Foo = Foo Int Int#
223
224   f x = let !(Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
225 </programlisting>
226 since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>.
227 </para>
228 </listitem>
229 </itemizedlist>
230 </para>
231
232 </sect2>
233
234 <sect2 id="unboxed-tuples">
235 <title>Unboxed Tuples
236 </title>
237
238 <para>
239 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
240 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
241 unboxed tuple looks like this:
242 </para>
243
244 <para>
245
246 <programlisting>
247 (# e_1, ..., e_n #)
248 </programlisting>
249
250 </para>
251
252 <para>
253 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
254 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
255 the same.
256 </para>
257
258 <para>
259 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
260 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
261 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
262 components are put directly into registers or on the stack; the
263 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
264 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
265 tuples.
266 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
267 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
268 </para>
269
270 <para>
271 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
272 <itemizedlist>
273 <listitem>
274
275 <para>
276 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
277 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
278 structures or passed to polymorphic functions.
279
280 </para>
281 </listitem>
282 <listitem>
283
284 <para>
285 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
286 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
287
288
289 <programlisting>
290   data Foo = Foo (# Int, Int #)
291
292   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
293   f x = x
294
295   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
296   g (# a,b #) = a
297
298   h x = let y = (# x,x #) in ...
299 </programlisting>
300 </para>
301 </listitem>
302 </itemizedlist>
303 </para>
304 <para>
305 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
306 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
307 <programlisting>
308   f x y = (# x+1, y-1 #)
309   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
310 </programlisting>
311 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
312 <programlisting>
313   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
314 </programlisting>
315 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
316 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
317 above example desugars like this:
318 <programlisting>
319   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
320             p = fst t
321             q = snd t
322         in ..body..
323 </programlisting>
324 Indeed, the bindings can even be recursive.
325 </para>
326
327 </sect2>
328 </sect1>
329
330
331 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
332
333 <sect1 id="syntax-extns">
334 <title>Syntactic extensions</title>
335  
336     <sect2 id="unicode-syntax">
337       <title>Unicode syntax</title>
338       <para>The language
339       extension <option>-XUnicodeSyntax</option><indexterm><primary><option>-XUnicodeSyntax</option></primary></indexterm>
340       enables Unicode characters to be used to stand for certain ASCII
341       character sequences.  The following alternatives are provided:</para>
342
343       <informaltable>
344         <tgroup cols="2" align="left" colsep="1" rowsep="1">
345           <thead>
346             <row>
347               <entry>ASCII</entry>
348               <entry>Unicode alternative</entry>
349               <entry>Code point</entry>
350               <entry>Name</entry>
351             </row>
352           </thead>
353           <tbody>
354             <row>
355               <entry><literal>::</literal></entry>
356               <entry>::</entry> <!-- no special char, apparently -->
357               <entry>0x2237</entry>
358               <entry>PROPORTION</entry>
359             </row>
360           </tbody>
361           <tbody>
362             <row>
363               <entry><literal>=&gt;</literal></entry>
364               <entry>&rArr;</entry>
365               <entry>0x21D2</entry>
366               <entry>RIGHTWARDS DOUBLE ARROW</entry>
367             </row>
368           </tbody>
369           <tbody>
370             <row>
371               <entry><literal>forall</literal></entry>
372               <entry>&forall;</entry>
373               <entry>0x2200</entry>
374               <entry>FOR ALL</entry>
375             </row>
376           </tbody>
377           <tbody>
378             <row>
379               <entry><literal>-&gt;</literal></entry>
380               <entry>&rarr;</entry>
381               <entry>0x2192</entry>
382               <entry>RIGHTWARDS ARROW</entry>
383             </row>
384           </tbody>
385           <tbody>
386             <row>
387               <entry><literal>&lt;-</literal></entry>
388               <entry>&larr;</entry>
389               <entry>0x2190</entry>
390               <entry>LEFTWARDS ARROW</entry>
391             </row>
392           </tbody>
393           <tbody>
394             <row>
395               <entry>..</entry>
396               <entry>&hellip;</entry>
397               <entry>0x22EF</entry>
398               <entry>MIDLINE HORIZONTAL ELLIPSIS</entry>
399             </row>
400           </tbody>
401         </tgroup>
402       </informaltable>
403     </sect2>
404
405     <sect2 id="magic-hash">
406       <title>The magic hash</title>
407       <para>The language extension <option>-XMagicHash</option> allows "&num;" as a
408         postfix modifier to identifiers.  Thus, "x&num;" is a valid variable, and "T&num;" is
409         a valid type constructor or data constructor.</para>
410
411       <para>The hash sign does not change sematics at all.  We tend to use variable
412         names ending in "&num;" for unboxed values or types (e.g. <literal>Int&num;</literal>), 
413         but there is no requirement to do so; they are just plain ordinary variables.
414         Nor does the <option>-XMagicHash</option> extension bring anything into scope.
415         For example, to bring <literal>Int&num;</literal> into scope you must 
416         import <literal>GHC.Prim</literal> (see <xref linkend="primitives"/>); 
417         the <option>-XMagicHash</option> extension
418         then allows you to <emphasis>refer</emphasis> to the <literal>Int&num;</literal>
419         that is now in scope.</para>
420       <para> The <option>-XMagicHash</option> also enables some new forms of literals (see <xref linkend="glasgow-unboxed"/>):
421         <itemizedlist> 
422           <listitem><para> <literal>'x'&num;</literal> has type <literal>Char&num;</literal></para> </listitem>
423           <listitem><para> <literal>&quot;foo&quot;&num;</literal> has type <literal>Addr&num;</literal></para> </listitem>
424           <listitem><para> <literal>3&num;</literal> has type <literal>Int&num;</literal>. In general,
425           any Haskell 98 integer lexeme followed by a <literal>&num;</literal> is an <literal>Int&num;</literal> literal, e.g.
426             <literal>-0x3A&num;</literal> as well as <literal>32&num;</literal></para>.</listitem>
427           <listitem><para> <literal>3&num;&num;</literal> has type <literal>Word&num;</literal>. In general,
428           any non-negative Haskell 98 integer lexeme followed by <literal>&num;&num;</literal> 
429               is a <literal>Word&num;</literal>. </para> </listitem>
430           <listitem><para> <literal>3.2&num;</literal> has type <literal>Float&num;</literal>.</para> </listitem>
431           <listitem><para> <literal>3.2&num;&num;</literal> has type <literal>Double&num;</literal></para> </listitem>
432           </itemizedlist>
433       </para>
434    </sect2>
435
436     <sect2 id="new-qualified-operators">
437       <title>New qualified operator syntax</title>
438
439       <para>A new syntax for referencing qualified operators is
440         planned to be introduced by Haskell', and is enabled in GHC
441         with
442         the <option>-XNewQualifiedOperators</option><indexterm><primary><option>-XNewQualifiedOperators</option></primary></indexterm>
443         option.  In the new syntax, the prefix form of a qualified
444         operator is
445         written <literal><replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>
446         (in Haskell 98 this would
447         be <literal>(<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>)</literal>),
448         and the infix form is
449         written <literal>`<replaceable>module</replaceable>.(<replaceable>symbol</replaceable>)`</literal>
450         (in Haskell 98 this would
451         be <literal>`<replaceable>module</replaceable>.<replaceable>symbol</replaceable>`</literal>.
452         For example:
453 <programlisting>
454   add x y = Prelude.(+) x y
455   subtract y = (`Prelude.(-)` y)
456 </programlisting>
457         The new form of qualified operators is intended to regularise
458         the syntax by eliminating odd cases
459         like <literal>Prelude..</literal>.  For example,
460         when <literal>NewQualifiedOperators</literal> is on, it is possible to
461         write the enumerated sequence <literal>[Monday..]</literal>
462         without spaces, whereas in Haskell 98 this would be a
463         reference to the operator &lsquo;<literal>.</literal>&lsquo;
464         from module <literal>Monday</literal>.</para>
465
466       <para>When <option>-XNewQualifiedOperators</option> is on, the old Haskell
467         98 syntax for qualified operators is not accepted, so this
468         option may cause existing Haskell 98 code to break.</para>
469
470     </sect2>
471         
472
473     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
474
475
476     <sect2 id="hierarchical-modules">
477       <title>Hierarchical Modules</title>
478
479       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
480       names: a module name is allowed to contain a dot
481       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
482       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
483       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
484       more flexible hierarchy of modules.</para>
485
486       <para>This extension has very little impact on the language
487       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
488       qualified, so you can just think of the fully qualified module
489       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
490       means that the full module name must be given after the
491       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
492       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
493       begin</para>
494
495 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
496
497
498       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
499       keyword to save some typing when using qualified names with
500       hierarchical modules.  For example:</para>
501
502 <programlisting>
503 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
504 </programlisting>
505
506       <para>For details on how GHC searches for source and interface
507       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
508       linkend="search-path"/>.</para>
509
510       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
511       hierarchically; see the accompanying <ulink
512       url="../libraries/index.html">library
513       documentation</ulink>.  More libraries to install are available
514       from <ulink
515       url="http://hackage.haskell.org/packages/hackage.html">HackageDB</ulink>.</para>
516     </sect2>
517
518     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
519
520 <sect2 id="pattern-guards">
521 <title>Pattern guards</title>
522
523 <para>
524 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
525 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.)
526 </para>
527
528 <para>
529 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
530 lookup operation:
531
532 <programlisting>
533 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
534 </programlisting>
535
536 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
537 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
538 </para>
539
540 <programlisting>
541 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
542 | otherwise  = var1 + var2
543 where
544   m1 = lookup env var1
545   m2 = lookup env var2
546   ok1 = maybeToBool m1
547   ok2 = maybeToBool m2
548   val1 = expectJust m1
549   val2 = expectJust m2
550 </programlisting>
551
552 <para>
553 The auxiliary functions are 
554 </para>
555
556 <programlisting>
557 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
558 maybeToBool (Just x) = True
559 maybeToBool Nothing  = False
560
561 expectJust :: Maybe a -&gt; a
562 expectJust (Just x) = x
563 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
564 </programlisting>
565
566 <para>
567 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
568 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
569 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
570 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
571 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
572 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
573 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
574 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
575 </para>
576
577 <para>
578 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
579 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
580 to write clunky would be to use case expressions:
581 </para>
582
583 <programlisting>
584 clunky env var1 var2 = case lookup env var1 of
585   Nothing -&gt; fail
586   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
587     Nothing -&gt; fail
588     Just val2 -&gt; val1 + val2
589 where
590   fail = var1 + var2
591 </programlisting>
592
593 <para>
594 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
595 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
596 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
597 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
598 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
599 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
600 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
601 tends to become more and more indented. 
602 </para>
603
604 <para>
605 Here is how I would write clunky:
606 </para>
607
608 <programlisting>
609 clunky env var1 var2
610   | Just val1 &lt;- lookup env var1
611   , Just val2 &lt;- lookup env var2
612   = val1 + val2
613 ...other equations for clunky...
614 </programlisting>
615
616 <para>
617 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
618 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
619 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
620 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
621 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
622 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
623 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
624 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
625 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
626 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
627 </para>
628
629 <para>
630 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
631 with among the pattern guards.  For example:
632 </para>
633
634 <programlisting>
635 f x | [y] &lt;- x
636     , y > 3
637     , Just z &lt;- h y
638     = ...
639 </programlisting>
640
641 <para>
642 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
643 qualifier list has just one element, a boolean expression.
644 </para>
645 </sect2>
646
647     <!-- ===================== View patterns ===================  -->
648
649 <sect2 id="view-patterns">
650 <title>View patterns
651 </title>
652
653 <para>
654 View patterns are enabled by the flag <literal>-XViewPatterns</literal>.
655 More information and examples of view patterns can be found on the
656 <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/ViewPatterns">Wiki
657 page</ulink>.
658 </para>
659
660 <para>
661 View patterns are somewhat like pattern guards that can be nested inside
662 of other patterns.  They are a convenient way of pattern-matching
663 against values of abstract types. For example, in a programming language
664 implementation, we might represent the syntax of the types of the
665 language as follows:
666
667 <programlisting>
668 type Typ
669  
670 data TypView = Unit
671              | Arrow Typ Typ
672
673 view :: Type -> TypeView
674
675 -- additional operations for constructing Typ's ...
676 </programlisting>
677
678 The representation of Typ is held abstract, permitting implementations
679 to use a fancy representation (e.g., hash-consing to manage sharing).
680
681 Without view patterns, using this signature a little inconvenient: 
682 <programlisting>
683 size :: Typ -> Integer
684 size t = case view t of
685   Unit -> 1
686   Arrow t1 t2 -> size t1 + size t2
687 </programlisting>
688
689 It is necessary to iterate the case, rather than using an equational
690 function definition. And the situation is even worse when the matching
691 against <literal>t</literal> is buried deep inside another pattern.
692 </para>
693
694 <para>
695 View patterns permit calling the view function inside the pattern and
696 matching against the result: 
697 <programlisting>
698 size (view -> Unit) = 1
699 size (view -> Arrow t1 t2) = size t1 + size t2
700 </programlisting>
701
702 That is, we add a new form of pattern, written
703 <replaceable>expression</replaceable> <literal>-></literal>
704 <replaceable>pattern</replaceable> that means "apply the expression to
705 whatever we're trying to match against, and then match the result of
706 that application against the pattern". The expression can be any Haskell
707 expression of function type, and view patterns can be used wherever
708 patterns are used.
709 </para>
710
711 <para>
712 The semantics of a pattern <literal>(</literal>
713 <replaceable>exp</replaceable> <literal>-></literal>
714 <replaceable>pat</replaceable> <literal>)</literal> are as follows:
715
716 <itemizedlist>
717
718 <listitem> Scoping:
719
720 <para>The variables bound by the view pattern are the variables bound by
721 <replaceable>pat</replaceable>.
722 </para>
723
724 <para>
725 Any variables in <replaceable>exp</replaceable> are bound occurrences,
726 but variables bound "to the left" in a pattern are in scope.  This
727 feature permits, for example, one argument to a function to be used in
728 the view of another argument.  For example, the function
729 <literal>clunky</literal> from <xref linkend="pattern-guards" /> can be
730 written using view patterns as follows:
731
732 <programlisting>
733 clunky env (lookup env -> Just val1) (lookup env -> Just val2) = val1 + val2
734 ...other equations for clunky...
735 </programlisting>
736 </para>
737
738 <para>
739 More precisely, the scoping rules are: 
740 <itemizedlist>
741 <listitem>
742 <para>
743 In a single pattern, variables bound by patterns to the left of a view
744 pattern expression are in scope. For example:
745 <programlisting>
746 example :: Maybe ((String -> Integer,Integer), String) -> Bool
747 example Just ((f,_), f -> 4) = True
748 </programlisting>
749
750 Additionally, in function definitions, variables bound by matching earlier curried
751 arguments may be used in view pattern expressions in later arguments:
752 <programlisting>
753 example :: (String -> Integer) -> String -> Bool
754 example f (f -> 4) = True
755 </programlisting>
756 That is, the scoping is the same as it would be if the curried arguments
757 were collected into a tuple.  
758 </para>
759 </listitem>
760
761 <listitem>
762 <para>
763 In mutually recursive bindings, such as <literal>let</literal>,
764 <literal>where</literal>, or the top level, view patterns in one
765 declaration may not mention variables bound by other declarations.  That
766 is, each declaration must be self-contained.  For example, the following
767 program is not allowed:
768 <programlisting>
769 let {(x -> y) = e1 ;
770      (y -> x) = e2 } in x
771 </programlisting>
772
773 (We may lift this
774 restriction in the future; the only cost is that type checking patterns
775 would get a little more complicated.)  
776
777
778 </para>
779 </listitem>
780 </itemizedlist>
781
782 </para>
783 </listitem>
784
785 <listitem><para> Typing: If <replaceable>exp</replaceable> has type
786 <replaceable>T1</replaceable> <literal>-></literal>
787 <replaceable>T2</replaceable> and <replaceable>pat</replaceable> matches
788 a <replaceable>T2</replaceable>, then the whole view pattern matches a
789 <replaceable>T1</replaceable>.
790 </para></listitem>
791
792 <listitem><para> Matching: To the equations in Section 3.17.3 of the
793 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/">Haskell 98
794 Report</ulink>, add the following:
795 <programlisting>
796 case v of { (e -> p) -> e1 ; _ -> e2 } 
797  = 
798 case (e v) of { p -> e1 ; _ -> e2 }
799 </programlisting>
800 That is, to match a variable <replaceable>v</replaceable> against a pattern
801 <literal>(</literal> <replaceable>exp</replaceable>
802 <literal>-></literal> <replaceable>pat</replaceable>
803 <literal>)</literal>, evaluate <literal>(</literal>
804 <replaceable>exp</replaceable> <replaceable> v</replaceable>
805 <literal>)</literal> and match the result against
806 <replaceable>pat</replaceable>.  
807 </para></listitem>
808
809 <listitem><para> Efficiency: When the same view function is applied in
810 multiple branches of a function definition or a case expression (e.g.,
811 in <literal>size</literal> above), GHC makes an attempt to collect these
812 applications into a single nested case expression, so that the view
813 function is only applied once.  Pattern compilation in GHC follows the
814 matrix algorithm described in Chapter 4 of <ulink
815 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/slpj-book-1987/">The
816 Implementation of Functional Programming Languages</ulink>.  When the
817 top rows of the first column of a matrix are all view patterns with the
818 "same" expression, these patterns are transformed into a single nested
819 case.  This includes, for example, adjacent view patterns that line up
820 in a tuple, as in
821 <programlisting>
822 f ((view -> A, p1), p2) = e1
823 f ((view -> B, p3), p4) = e2
824 </programlisting>
825 </para>
826
827 <para> The current notion of when two view pattern expressions are "the
828 same" is very restricted: it is not even full syntactic equality.
829 However, it does include variables, literals, applications, and tuples;
830 e.g., two instances of <literal>view ("hi", "there")</literal> will be
831 collected.  However, the current implementation does not compare up to
832 alpha-equivalence, so two instances of <literal>(x, view x ->
833 y)</literal> will not be coalesced.
834 </para>
835
836 </listitem>
837
838 </itemizedlist>
839 </para>
840
841 </sect2>
842
843     <!-- ===================== n+k patterns ===================  -->
844
845 <sect2 id="n-k-patterns">
846 <title>n+k patterns</title>
847 <indexterm><primary><option>-XNoNPlusKPatterns</option></primary></indexterm>
848
849 <para>
850 <literal>n+k</literal> pattern support is enabled by default. To disable
851 it, you can use the <option>-XNoNPlusKPatterns</option> flag.
852 </para>
853
854 </sect2>
855
856     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
857
858 <sect2 id="mdo-notation">
859 <title>The recursive do-notation
860 </title>
861
862 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
863 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>,
864 by Levent Erkok, John Launchbury,
865 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
866 This paper is essential reading for anyone making non-trivial use of mdo-notation,
867 and we do not repeat it here.
868 </para>
869 <para>
870 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
871 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
872 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
873 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
874 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
875 </para>
876 <para>
877 Here is a simple (yet contrived) example:
878 </para>
879 <programlisting>
880 import Control.Monad.Fix
881
882 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
883                return xs
884 </programlisting>
885 <para>
886 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
887 </para>
888
889 <para>
890 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class.  Its definition is:
891 </para>
892 <programlisting>
893 class Monad m => MonadFix m where
894    mfix :: (a -> m a) -> m a
895 </programlisting>
896 <para>
897 The function <literal>mfix</literal>
898 dictates how the required recursion operation should be performed.  For example, 
899 <literal>justOnes</literal> desugars as follows:
900 <programlisting>
901 justOnes = mfix (\xs' -&gt; do { xs &lt;- Just (1:xs'); return xs }
902 </programlisting>
903 For full details of the way in which mdo is typechecked and desugared, see 
904 the paper <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/erk02recursive.html">A recursive do for Haskell</ulink>.
905 In particular, GHC implements the segmentation technique described in Section 3.2 of the paper.
906 </para>
907 <para>
908 If recursive bindings are required for a monad,
909 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
910 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
911 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
912 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
913 </para>
914 <para>
915 Here are some important points in using the recursive-do notation:
916 <itemizedlist>
917 <listitem><para>
918 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
919 than <literal>do</literal>).
920 </para></listitem>
921
922 <listitem><para>
923 It is enabled with the flag <literal>-XRecursiveDo</literal>, which is in turn implied by
924 <literal>-fglasgow-exts</literal>.
925 </para></listitem>
926
927 <listitem><para>
928 Unlike ordinary do-notation, but like <literal>let</literal> and <literal>where</literal> bindings,
929 name shadowing is not allowed; that is, all the names bound in a single <literal>mdo</literal> must
930 be distinct (Section 3.3 of the paper).
931 </para></listitem>
932
933 <listitem><para>
934 Variables bound by a <literal>let</literal> statement in an <literal>mdo</literal>
935 are monomorphic in the <literal>mdo</literal> (Section 3.1 of the paper).  However
936 GHC breaks the <literal>mdo</literal> into segments to enhance polymorphism,
937 and improve termination (Section 3.2 of the paper).
938 </para></listitem>
939 </itemizedlist>
940 </para>
941
942 <para>
943 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
944 of the existing documents) used the name
945 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
946 This name is not supported by GHC.
947 </para>
948
949 </sect2>
950
951
952    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
953
954   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
955     <title>Parallel List Comprehensions</title>
956     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
957     </indexterm>
958     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
959     </indexterm>
960
961     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
962     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
963     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
964     extend this to include the zipWith family.</para>
965
966     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
967     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
968     example, the following zips together two lists:</para>
969
970 <programlisting>
971    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
972 </programlisting>
973
974     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
975     zip, in that the resulting list will have the same length as the
976     shortest branch.</para>
977
978     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
979     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
980
981     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
982
983 <programlisting>
984    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
985        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
986        ... 
987    ] 
988 </programlisting>
989
990     <para>This will be translated to: </para>
991
992 <programlisting>
993    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
994                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
995                                          ... 
996    ] 
997 </programlisting>
998
999     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
1000     branches.</para>
1001
1002   </sect2>
1003   
1004   <!-- ===================== TRANSFORM LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
1005
1006   <sect2 id="generalised-list-comprehensions">
1007     <title>Generalised (SQL-Like) List Comprehensions</title>
1008     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>generalised</secondary>
1009     </indexterm>
1010     <indexterm><primary>extended list comprehensions</primary>
1011     </indexterm>
1012     <indexterm><primary>group</primary></indexterm>
1013     <indexterm><primary>sql</primary></indexterm>
1014
1015
1016     <para>Generalised list comprehensions are a further enhancement to the
1017     list comprehension syntactic sugar to allow operations such as sorting
1018     and grouping which are familiar from SQL.   They are fully described in the
1019         paper <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/list-comp">
1020           Comprehensive comprehensions: comprehensions with "order by" and "group by"</ulink>,
1021     except that the syntax we use differs slightly from the paper.</para>
1022 <para>The extension is enabled with the flag <option>-XTransformListComp</option>.</para>
1023 <para>Here is an example: 
1024 <programlisting>
1025 employees = [ ("Simon", "MS", 80)
1026 , ("Erik", "MS", 100)
1027 , ("Phil", "Ed", 40)
1028 , ("Gordon", "Ed", 45)
1029 , ("Paul", "Yale", 60)]
1030
1031 output = [ (the dept, sum salary)
1032 | (name, dept, salary) &lt;- employees
1033 , then group by dept
1034 , then sortWith by (sum salary)
1035 , then take 5 ]
1036 </programlisting>
1037 In this example, the list <literal>output</literal> would take on 
1038     the value:
1039     
1040 <programlisting>
1041 [("Yale", 60), ("Ed", 85), ("MS", 180)]
1042 </programlisting>
1043 </para>
1044 <para>There are three new keywords: <literal>group</literal>, <literal>by</literal>, and <literal>using</literal>.
1045 (The function <literal>sortWith</literal> is not a keyword; it is an ordinary
1046 function that is exported by <literal>GHC.Exts</literal>.)</para>
1047
1048 <para>There are five new forms of comprehension qualifier,
1049 all introduced by the (existing) keyword <literal>then</literal>:
1050     <itemizedlist>
1051     <listitem>
1052     
1053 <programlisting>
1054 then f
1055 </programlisting>
1056
1057     This statement requires that <literal>f</literal> have the type <literal>
1058     forall a. [a] -> [a]</literal>. You can see an example of its use in the
1059     motivating example, as this form is used to apply <literal>take 5</literal>.
1060     
1061     </listitem>
1062     
1063     
1064     <listitem>
1065 <para>
1066 <programlisting>
1067 then f by e
1068 </programlisting>
1069
1070     This form is similar to the previous one, but allows you to create a function
1071     which will be passed as the first argument to f. As a consequence f must have 
1072     the type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [a]</literal>. As you can see
1073     from the type, this function lets f &quot;project out&quot; some information 
1074     from the elements of the list it is transforming.</para>
1075
1076     <para>An example is shown in the opening example, where <literal>sortWith</literal> 
1077     is supplied with a function that lets it find out the <literal>sum salary</literal> 
1078     for any item in the list comprehension it transforms.</para>
1079
1080     </listitem>
1081
1082
1083     <listitem>
1084
1085 <programlisting>
1086 then group by e using f
1087 </programlisting>
1088
1089     <para>This is the most general of the grouping-type statements. In this form,
1090     f is required to have type <literal>forall a. (a -> t) -> [a] -> [[a]]</literal>.
1091     As with the <literal>then f by e</literal> case above, the first argument
1092     is a function supplied to f by the compiler which lets it compute e on every
1093     element of the list being transformed. However, unlike the non-grouping case,
1094     f additionally partitions the list into a number of sublists: this means that
1095     at every point after this statement, binders occurring before it in the comprehension
1096     refer to <emphasis>lists</emphasis> of possible values, not single values. To help understand
1097     this, let's look at an example:</para>
1098     
1099 <programlisting>
1100 -- This works similarly to groupWith in GHC.Exts, but doesn't sort its input first
1101 groupRuns :: Eq b => (a -> b) -> [a] -> [[a]]
1102 groupRuns f = groupBy (\x y -> f x == f y)
1103
1104 output = [ (the x, y)
1105 | x &lt;- ([1..3] ++ [1..2])
1106 , y &lt;- [4..6]
1107 , then group by x using groupRuns ]
1108 </programlisting>
1109
1110     <para>This results in the variable <literal>output</literal> taking on the value below:</para>
1111
1112 <programlisting>
1113 [(1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6]), (3, [4, 5, 6]), (1, [4, 5, 6]), (2, [4, 5, 6])]
1114 </programlisting>
1115
1116     <para>Note that we have used the <literal>the</literal> function to change the type 
1117     of x from a list to its original numeric type. The variable y, in contrast, is left 
1118     unchanged from the list form introduced by the grouping.</para>
1119
1120     </listitem>
1121
1122     <listitem>
1123
1124 <programlisting>
1125 then group by e
1126 </programlisting>
1127
1128     <para>This form of grouping is essentially the same as the one described above. However,
1129     since no function to use for the grouping has been supplied it will fall back on the
1130     <literal>groupWith</literal> function defined in 
1131     <ulink url="../libraries/base/GHC-Exts.html"><literal>GHC.Exts</literal></ulink>. This
1132     is the form of the group statement that we made use of in the opening example.</para>
1133
1134     </listitem>
1135     
1136     
1137     <listitem>
1138
1139 <programlisting>
1140 then group using f
1141 </programlisting>
1142
1143     <para>With this form of the group statement, f is required to simply have the type
1144     <literal>forall a. [a] -> [[a]]</literal>, which will be used to group up the
1145     comprehension so far directly. An example of this form is as follows:</para>
1146     
1147 <programlisting>
1148 output = [ x
1149 | y &lt;- [1..5]
1150 , x &lt;- "hello"
1151 , then group using inits]
1152 </programlisting>
1153
1154     <para>This will yield a list containing every prefix of the word "hello" written out 5 times:</para>
1155
1156 <programlisting>
1157 ["","h","he","hel","hell","hello","helloh","hellohe","hellohel","hellohell","hellohello","hellohelloh",...]
1158 </programlisting>
1159
1160     </listitem>
1161 </itemizedlist>
1162 </para>
1163   </sect2>
1164
1165    <!-- ===================== REBINDABLE SYNTAX ===================  -->
1166
1167 <sect2 id="rebindable-syntax">
1168 <title>Rebindable syntax and the implicit Prelude import</title>
1169
1170  <para><indexterm><primary>-XNoImplicitPrelude
1171  option</primary></indexterm> GHC normally imports
1172  <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
1173  rather it didn't, then give it a
1174  <option>-XNoImplicitPrelude</option> option.  The idea is
1175  that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
1176  call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
1177  namespace is flat, and you must not conflict with any
1178  Prelude module.)</para>
1179
1180             <para>Suppose you are importing a Prelude of your own
1181               in order to define your own numeric class
1182             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
1183             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
1184             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
1185             So the <option>-XNoImplicitPrelude</option> 
1186               flag <emphasis>also</emphasis> causes
1187             the following pieces of built-in syntax to refer to
1188             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
1189             versions:
1190             <itemizedlist>
1191               <listitem>
1192                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
1193                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
1194                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
1195 </para> </listitem>         
1196
1197       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
1198           except that the translation is 
1199               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
1200 </para> </listitem>         
1201
1202           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
1203               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
1204 </para> </listitem>         
1205
1206           <listitem><para>The subtraction operation, and the
1207           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
1208               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
1209               </para></listitem>
1210
1211               <listitem>
1212                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
1213                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
1214                 patterns, and expressions.
1215               </para></listitem>
1216
1217               <listitem>
1218           <para>"Do" notation is translated using whatever
1219               functions <literal>(>>=)</literal>,
1220               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
1221               are in scope (not the Prelude
1222               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
1223               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
1224
1225               <listitem>
1226                 <para>Arrow
1227                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
1228                 uses whatever <literal>arr</literal>,
1229                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
1230                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
1231                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
1232                 other constructs, the types of these functions must match the
1233                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
1234                 to use this, ask!
1235               </para></listitem>
1236             </itemizedlist>
1237 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
1238 even if that is a little unexpected. For example, the 
1239 static semantics of the literal <literal>368</literal>
1240 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
1241 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
1242 <programlisting>
1243 fromInteger :: Integer -> Integer
1244 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
1245 fromInteger :: Num a => a -> Integer
1246 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
1247 </programlisting>
1248 </para>
1249                 
1250              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
1251              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
1252              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
1253              you should be all right.</para>
1254
1255 </sect2>
1256
1257 <sect2 id="postfix-operators">
1258 <title>Postfix operators</title>
1259
1260 <para>
1261   The <option>-XPostfixOperators</option> flag enables a small
1262 extension to the syntax of left operator sections, which allows you to
1263 define postfix operators.  The extension is this: the left section
1264 <programlisting>
1265   (e !)
1266 </programlisting>
1267 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
1268 <programlisting>
1269   ((!) e)
1270 </programlisting>
1271 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
1272 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
1273 <programlisting>
1274   (\y -> (!) e y)
1275 </programlisting>
1276 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
1277 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
1278 postfix.
1279 </para>
1280 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
1281 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
1282
1283 </sect2>
1284
1285 <sect2 id="tuple-sections">
1286 <title>Tuple sections</title>
1287
1288 <para>
1289   The <option>-XTupleSections</option> flag enables Python-style partially applied
1290   tuple constructors. For example, the following program
1291 <programlisting>
1292   (, True)
1293 </programlisting>
1294   is considered to be an alternative notation for the more unwieldy alternative
1295 <programlisting>
1296   \x -> (x, True)
1297 </programlisting>
1298 You can omit any combination of arguments to the tuple, as in the following
1299 <programlisting>
1300   (, "I", , , "Love", , 1337)
1301 </programlisting>
1302 which translates to
1303 <programlisting>
1304   \a b c d -> (a, "I", b, c, "Love", d, 1337)
1305 </programlisting>
1306 </para>
1307
1308 <para>
1309   If you have <link linkend="unboxed-tuples">unboxed tuples</link> enabled, tuple sections
1310   will also be available for them, like so
1311 <programlisting>
1312   (# , True #)
1313 </programlisting>
1314 Because there is no unboxed unit tuple, the following expression
1315 <programlisting>
1316   (# #)
1317 </programlisting>
1318 continues to stand for the unboxed singleton tuple data constructor.
1319 </para>
1320
1321 </sect2>
1322
1323 <sect2 id="disambiguate-fields">
1324 <title>Record field disambiguation</title>
1325 <para>
1326 In record construction and record pattern matching
1327 it is entirely unambiguous which field is referred to, even if there are two different
1328 data types in scope with a common field name.  For example:
1329 <programlisting>
1330 module M where
1331   data S = MkS { x :: Int, y :: Bool }
1332
1333 module Foo where
1334   import M
1335
1336   data T = MkT { x :: Int }
1337   
1338   ok1 (MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1339   ok2 n = MkT { x = n+1 }     -- Unambiguous
1340
1341   bad1 k = k { x = 3 }  -- Ambiguous
1342   bad2 k = x k          -- Ambiguous
1343 </programlisting>
1344 Even though there are two <literal>x</literal>'s in scope,
1345 it is clear that the <literal>x</literal> in the pattern in the
1346 definition of <literal>ok1</literal> can only mean the field
1347 <literal>x</literal> from type <literal>S</literal>. Similarly for
1348 the function <literal>ok2</literal>.  However, in the record update
1349 in <literal>bad1</literal> and the record selection in <literal>bad2</literal>
1350 it is not clear which of the two types is intended.
1351 </para>
1352 <para>
1353 Haskell 98 regards all four as ambiguous, but with the
1354 <option>-XDisambiguateRecordFields</option> flag, GHC will accept
1355 the former two.  The rules are precisely the same as those for instance
1356 declarations in Haskell 98, where the method names on the left-hand side 
1357 of the method bindings in an instance declaration refer unambiguously
1358 to the method of that class (provided they are in scope at all), even
1359 if there are other variables in scope with the same name.
1360 This reduces the clutter of qualified names when you import two
1361 records from different modules that use the same field name.
1362 </para>
1363 <para>
1364 Some details:
1365 <itemizedlist>
1366 <listitem><para>
1367 Field disambiguation can be combined with punning (see <xref linkend="record-puns"/>). For exampe:
1368 <programlisting>
1369 module Foo where
1370   import M
1371   x=True
1372   ok3 (MkS { x }) = x+1   -- Uses both disambiguation and punning
1373 </programlisting>
1374 </para></listitem>
1375
1376 <listitem><para>
1377 With <option>-XDisambiguateRecordFields</option> you can use <emphasis>unqualifed</emphasis>
1378 field names even if the correponding selector is only in scope <emphasis>qualified</emphasis>
1379 For example, assuming the same module <literal>M</literal> as in our earlier example, this is legal:
1380 <programlisting>
1381 module Foo where
1382   import qualified M    -- Note qualified
1383
1384   ok4 (M.MkS { x = n }) = n+1   -- Unambiguous
1385 </programlisting>
1386 Since the constructore <literal>MkS</literal> is only in scope qualified, you must
1387 name it <literal>M.MkS</literal>, but the field <literal>x</literal> does not need
1388 to be qualified even though <literal>M.x</literal> is in scope but <literal>x</literal>
1389 is not.  (In effect, it is qualified by the constructor.)
1390 </para></listitem>
1391 </itemizedlist>
1392 </para>
1393
1394 </sect2>
1395
1396     <!-- ===================== Record puns ===================  -->
1397
1398 <sect2 id="record-puns">
1399 <title>Record puns
1400 </title>
1401
1402 <para>
1403 Record puns are enabled by the flag <literal>-XNamedFieldPuns</literal>.
1404 </para>
1405
1406 <para>
1407 When using records, it is common to write a pattern that binds a
1408 variable with the same name as a record field, such as:
1409
1410 <programlisting>
1411 data C = C {a :: Int}
1412 f (C {a = a}) = a
1413 </programlisting>
1414 </para>
1415
1416 <para>
1417 Record punning permits the variable name to be elided, so one can simply
1418 write
1419
1420 <programlisting>
1421 f (C {a}) = a
1422 </programlisting>
1423
1424 to mean the same pattern as above.  That is, in a record pattern, the
1425 pattern <literal>a</literal> expands into the pattern <literal>a =
1426 a</literal> for the same name <literal>a</literal>.  
1427 </para>
1428
1429 <para>
1430 Note that:
1431 <itemizedlist>
1432 <listitem><para>
1433 Record punning can also be used in an expression, writing, for example,
1434 <programlisting>
1435 let a = 1 in C {a}
1436 </programlisting>
1437 instead of 
1438 <programlisting>
1439 let a = 1 in C {a = a}
1440 </programlisting>
1441 The expansion is purely syntactic, so the expanded right-hand side
1442 expression refers to the nearest enclosing variable that is spelled the
1443 same as the field name.
1444 </para></listitem>
1445
1446 <listitem><para>
1447 Puns and other patterns can be mixed in the same record:
1448 <programlisting>
1449 data C = C {a :: Int, b :: Int}
1450 f (C {a, b = 4}) = a
1451 </programlisting>
1452 </para></listitem>
1453
1454 <listitem><para>
1455 Puns can be used wherever record patterns occur (e.g. in
1456 <literal>let</literal> bindings or at the top-level).  
1457 </para></listitem>
1458
1459 <listitem><para>
1460 A pun on a qualified field name is expanded by stripping off the module qualifier.
1461 For example:
1462 <programlisting>
1463 f (C {M.a}) = a
1464 </programlisting>
1465 means
1466 <programlisting>
1467 f (M.C {M.a = a}) = a
1468 </programlisting>
1469 (This is useful if the field selector <literal>a</literal> for constructor <literal>M.C</literal>
1470 is only in scope in qualified form.)
1471 </para></listitem>
1472 </itemizedlist>
1473 </para>
1474
1475
1476 </sect2>
1477
1478     <!-- ===================== Record wildcards ===================  -->
1479
1480 <sect2 id="record-wildcards">
1481 <title>Record wildcards
1482 </title>
1483
1484 <para>
1485 Record wildcards are enabled by the flag <literal>-XRecordWildCards</literal>.
1486 This flag implies <literal>-XDisambiguateRecordFields</literal>.
1487 </para>
1488
1489 <para>
1490 For records with many fields, it can be tiresome to write out each field
1491 individually in a record pattern, as in
1492 <programlisting>
1493 data C = C {a :: Int, b :: Int, c :: Int, d :: Int}
1494 f (C {a = 1, b = b, c = c, d = d}) = b + c + d
1495 </programlisting>
1496 </para>
1497
1498 <para>
1499 Record wildcard syntax permits a "<literal>..</literal>" in a record
1500 pattern, where each elided field <literal>f</literal> is replaced by the
1501 pattern <literal>f = f</literal>.  For example, the above pattern can be
1502 written as
1503 <programlisting>
1504 f (C {a = 1, ..}) = b + c + d
1505 </programlisting>
1506 </para>
1507
1508 <para>
1509 More details:
1510 <itemizedlist>
1511 <listitem><para>
1512 Wildcards can be mixed with other patterns, including puns
1513 (<xref linkend="record-puns"/>); for example, in a pattern <literal>C {a
1514 = 1, b, ..})</literal>.  Additionally, record wildcards can be used
1515 wherever record patterns occur, including in <literal>let</literal>
1516 bindings and at the top-level.  For example, the top-level binding
1517 <programlisting>
1518 C {a = 1, ..} = e
1519 </programlisting>
1520 defines <literal>b</literal>, <literal>c</literal>, and
1521 <literal>d</literal>.
1522 </para></listitem>
1523
1524 <listitem><para>
1525 Record wildcards can also be used in expressions, writing, for example,
1526 <programlisting>
1527 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {..}
1528 </programlisting>
1529 in place of
1530 <programlisting>
1531 let {a = 1; b = 2; c = 3; d = 4} in C {a=a, b=b, c=c, d=d}
1532 </programlisting>
1533 The expansion is purely syntactic, so the record wildcard
1534 expression refers to the nearest enclosing variables that are spelled
1535 the same as the omitted field names.
1536 </para></listitem>
1537
1538 <listitem><para>
1539 The "<literal>..</literal>" expands to the missing 
1540 <emphasis>in-scope</emphasis> record fields, where "in scope"
1541 includes both unqualified and qualified-only.  
1542 Any fields that are not in scope are not filled in.  For example
1543 <programlisting>
1544 module M where
1545   data R = R { a,b,c :: Int }
1546 module X where
1547   import qualified M( R(a,b) )
1548   f a b = R { .. }
1549 </programlisting>
1550 The <literal>{..}</literal> expands to <literal>{M.a=a,M.b=b}</literal>,
1551 omitting <literal>c</literal> since it is not in scope at all.
1552 </para></listitem>
1553 </itemizedlist>
1554 </para>
1555
1556 </sect2>
1557
1558     <!-- ===================== Local fixity declarations ===================  -->
1559
1560 <sect2 id="local-fixity-declarations">
1561 <title>Local Fixity Declarations
1562 </title>
1563
1564 <para>A careful reading of the Haskell 98 Report reveals that fixity
1565 declarations (<literal>infix</literal>, <literal>infixl</literal>, and
1566 <literal>infixr</literal>) are permitted to appear inside local bindings
1567 such those introduced by <literal>let</literal> and
1568 <literal>where</literal>.  However, the Haskell Report does not specify
1569 the semantics of such bindings very precisely.
1570 </para>
1571
1572 <para>In GHC, a fixity declaration may accompany a local binding:
1573 <programlisting>
1574 let f = ...
1575     infixr 3 `f`
1576 in 
1577     ...
1578 </programlisting>
1579 and the fixity declaration applies wherever the binding is in scope.
1580 For example, in a <literal>let</literal>, it applies in the right-hand
1581 sides of other <literal>let</literal>-bindings and the body of the
1582 <literal>let</literal>C. Or, in recursive <literal>do</literal>
1583 expressions (<xref linkend="mdo-notation"/>), the local fixity
1584 declarations of a <literal>let</literal> statement scope over other
1585 statements in the group, just as the bound name does.
1586 </para>
1587
1588 <para>
1589 Moreover, a local fixity declaration *must* accompany a local binding of
1590 that name: it is not possible to revise the fixity of name bound
1591 elsewhere, as in
1592 <programlisting>
1593 let infixr 9 $ in ...
1594 </programlisting>
1595
1596 Because local fixity declarations are technically Haskell 98, no flag is
1597 necessary to enable them.
1598 </para>
1599 </sect2>
1600
1601 <sect2 id="package-imports">
1602   <title>Package-qualified imports</title>
1603
1604   <para>With the <option>-XPackageImports</option> flag, GHC allows
1605   import declarations to be qualified by the package name that the
1606     module is intended to be imported from.  For example:</para>
1607
1608 <programlisting>
1609 import "network" Network.Socket
1610 </programlisting>
1611   
1612   <para>would import the module <literal>Network.Socket</literal> from
1613     the package <literal>network</literal> (any version).  This may
1614     be used to disambiguate an import when the same module is
1615     available from multiple packages, or is present in both the
1616     current package being built and an external package.</para>
1617
1618   <para>Note: you probably don't need to use this feature, it was
1619     added mainly so that we can build backwards-compatible versions of
1620     packages when APIs change.  It can lead to fragile dependencies in
1621     the common case: modules occasionally move from one package to
1622     another, rendering any package-qualified imports broken.</para>
1623 </sect2>
1624
1625 <sect2 id="syntax-stolen">
1626 <title>Summary of stolen syntax</title>
1627
1628     <para>Turning on an option that enables special syntax
1629     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
1630     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
1631     become a reserved word.  This section lists the syntax that is
1632     "stolen" by language extensions.
1633      We use
1634     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
1635     (see the Haskell 98 Report).  
1636     We only list syntax changes here that might affect
1637     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
1638     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
1639     cases programs written to use the new syntax would not be
1640     compilable without the option enabled.</para>
1641
1642 <para>There are two classes of special
1643     syntax:
1644
1645     <itemizedlist>
1646       <listitem>
1647         <para>New reserved words and symbols: character sequences
1648         which are no longer available for use as identifiers in the
1649         program.</para>
1650       </listitem>
1651       <listitem>
1652         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
1653         a different meaning when this particular option is turned
1654         on.</para>
1655       </listitem>
1656     </itemizedlist>
1657     
1658 The following syntax is stolen:
1659
1660     <variablelist>
1661       <varlistentry>
1662         <term>
1663           <literal>forall</literal>
1664           <indexterm><primary><literal>forall</literal></primary></indexterm>
1665         </term>
1666         <listitem><para>
1667         Stolen (in types) by: <option>-XScopedTypeVariables</option>,
1668             <option>-XLiberalTypeSynonyms</option>,
1669             <option>-XRank2Types</option>,
1670             <option>-XRankNTypes</option>,
1671             <option>-XPolymorphicComponents</option>,
1672             <option>-XExistentialQuantification</option>
1673           </para></listitem>
1674       </varlistentry>
1675
1676       <varlistentry>
1677         <term>
1678           <literal>mdo</literal>
1679           <indexterm><primary><literal>mdo</literal></primary></indexterm>
1680         </term>
1681         <listitem><para>
1682         Stolen by: <option>-XRecursiveDo</option>,
1683           </para></listitem>
1684       </varlistentry>
1685
1686       <varlistentry>
1687         <term>
1688           <literal>foreign</literal>
1689           <indexterm><primary><literal>foreign</literal></primary></indexterm>
1690         </term>
1691         <listitem><para>
1692         Stolen by: <option>-XForeignFunctionInterface</option>,
1693           </para></listitem>
1694       </varlistentry>
1695
1696       <varlistentry>
1697         <term>
1698           <literal>rec</literal>,
1699           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
1700           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
1701           <literal>&gt;&gt;-</literal>, and <literal>(|</literal>,
1702           <literal>|)</literal> brackets
1703           <indexterm><primary><literal>proc</literal></primary></indexterm>
1704         </term>
1705         <listitem><para>
1706         Stolen by: <option>-XArrows</option>,
1707           </para></listitem>
1708       </varlistentry>
1709
1710       <varlistentry>
1711         <term>
1712           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
1713           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>
1714           <indexterm><primary>implicit parameters</primary></indexterm>
1715         </term>
1716         <listitem><para>
1717         Stolen by: <option>-XImplicitParams</option>,
1718           </para></listitem>
1719       </varlistentry>
1720
1721       <varlistentry>
1722         <term>
1723           <literal>[|</literal>,
1724           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
1725           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
1726           <literal>$(</literal>,
1727           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>
1728           <indexterm><primary>Template Haskell</primary></indexterm>
1729         </term>
1730         <listitem><para>
1731         Stolen by: <option>-XTemplateHaskell</option>,
1732           </para></listitem>
1733       </varlistentry>
1734
1735       <varlistentry>
1736         <term>
1737           <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>|</literal>
1738           <indexterm><primary>quasi-quotation</primary></indexterm>
1739         </term>
1740         <listitem><para>
1741         Stolen by: <option>-XQuasiQuotes</option>,
1742           </para></listitem>
1743       </varlistentry>
1744
1745       <varlistentry>
1746         <term>
1747               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
1748               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
1749               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1750               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1751               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
1752               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
1753               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
1754         </term>
1755         <listitem><para>
1756         Stolen by: <option>-XMagicHash</option>,
1757           </para></listitem>
1758       </varlistentry>
1759     </variablelist>
1760 </para>
1761 </sect2>
1762 </sect1>
1763
1764
1765 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
1766 <sect1 id="data-type-extensions">
1767 <title>Extensions to data types and type synonyms</title>
1768
1769 <sect2 id="nullary-types">
1770 <title>Data types with no constructors</title>
1771
1772 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
1773 a data type with no constructors.  For example:</para>
1774
1775 <programlisting>
1776   data S      -- S :: *
1777   data T a    -- T :: * -> *
1778 </programlisting>
1779
1780 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
1781 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
1782 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
1783 (see <xref linkend="kinding"/>).</para>
1784
1785 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
1786 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
1787 </sect2>
1788
1789 <sect2 id="infix-tycons">
1790 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
1791
1792 <para>
1793 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
1794 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
1795 <itemizedlist>
1796 <listitem><para>
1797   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
1798   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
1799   </para></listitem>
1800 <listitem><para>
1801   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
1802   if you want further arguments.  E.g.
1803 <screen>
1804   data a :*: b = Foo a b
1805   type a :+: b = Either a b
1806   class a :=: b where ...
1807
1808   data (a :**: b) x = Baz a b x
1809   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
1810 </screen>
1811   </para></listitem>
1812 <listitem><para>
1813   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
1814   <screen>
1815         x :: Int :*: Bool
1816         f :: (a :=: b) => a -> b
1817   </screen>
1818   </para></listitem>
1819 <listitem><para>
1820   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1821   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1822   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1823   parenthesised.  For example:
1824 <programlisting>
1825    type T (+) = Int + Int
1826    f :: T Either
1827    f = Left 3
1828  
1829    liftA2 :: Arrow (~>)
1830           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1831    liftA2 = ...
1832 </programlisting>
1833   </para></listitem>
1834 <listitem><para>
1835   Back-quotes work
1836   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1837   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1838   </para></listitem>
1839 <listitem><para>
1840   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1841   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1842   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1843 <screen>
1844   infixl 7 T, :*:
1845 </screen>
1846   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1847   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1848   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1849   </para></listitem>
1850 <listitem><para>
1851   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1852   </para></listitem>
1853
1854 </itemizedlist>
1855 </para>
1856 </sect2>
1857
1858 <sect2 id="type-synonyms">
1859 <title>Liberalised type synonyms</title>
1860
1861 <para>
1862 Type synonyms are like macros at the type level, but Haskell 98 imposes many rules
1863 on individual synonym declarations.
1864 With the <option>-XLiberalTypeSynonyms</option> extension,
1865 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1866 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98. 
1867
1868 <itemizedlist>
1869 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1870 in a type synonym, thus:
1871 <programlisting>
1872   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1873
1874   f :: Discard a
1875   f x y = (x, show y)
1876
1877   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1878   g f = f 3 True
1879 </programlisting>
1880 </para>
1881 </listitem>
1882
1883 <listitem><para>
1884 If you also use <option>-XUnboxedTuples</option>, 
1885 you can write an unboxed tuple in a type synonym:
1886 <programlisting>
1887   type Pr = (# Int, Int #)
1888
1889   h :: Int -> Pr
1890   h x = (# x, x #)
1891 </programlisting>
1892 </para></listitem>
1893
1894 <listitem><para>
1895 You can apply a type synonym to a forall type:
1896 <programlisting>
1897   type Foo a = a -> a -> Bool
1898  
1899   f :: Foo (forall b. b->b)
1900 </programlisting>
1901 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1902 <programlisting>
1903   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1904 </programlisting>
1905 </para></listitem>
1906
1907 <listitem><para>
1908 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1909 <programlisting>
1910   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1911   type Id x = x
1912   
1913   foo :: Generic Id []
1914 </programlisting>
1915 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1916 <programlisting>
1917   foo :: forall x. x -> [x]
1918 </programlisting>
1919 </para></listitem>
1920
1921 </itemizedlist>
1922 </para>
1923
1924 <para>
1925 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1926 could be changed.)
1927 </para>
1928 <para>
1929 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1930 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1931 <itemizedlist>
1932 <listitem><para>
1933 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1934 </para></listitem>
1935 <listitem><para>
1936 Unboxed tuple on left of an arrow.
1937 </para></listitem>
1938 <listitem><para>
1939 Partially-applied type synonym.
1940 </para></listitem>
1941 </itemizedlist>
1942 So, for example,
1943 this will be rejected:
1944 <programlisting>
1945   type Pr = (# Int, Int #)
1946
1947   h :: Pr -> Int
1948   h x = ...
1949 </programlisting>
1950 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1951 </para>
1952 </sect2>
1953
1954
1955 <sect2 id="existential-quantification">
1956 <title>Existentially quantified data constructors
1957 </title>
1958
1959 <para>
1960 The idea of using existential quantification in data type declarations
1961 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1962 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1963 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1964 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1965 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1966 It's been in Lennart
1967 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1968 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1969 </para>
1970
1971 <para>
1972
1973 <programlisting>
1974   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1975            | Nil
1976 </programlisting>
1977
1978 </para>
1979
1980 <para>
1981 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1982 </para>
1983
1984 <para>
1985
1986 <programlisting>
1987   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1988   Nil   :: Foo
1989 </programlisting>
1990
1991 </para>
1992
1993 <para>
1994 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1995 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1996 For example, the following expression is fine:
1997 </para>
1998
1999 <para>
2000
2001 <programlisting>
2002   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2003 </programlisting>
2004
2005 </para>
2006
2007 <para>
2008 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2009 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2010 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2011 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2012 </para>
2013
2014 <para>
2015 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2016 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2017 </para>
2018
2019 <para>
2020
2021 <programlisting>
2022   f (MkFoo val fn) = ???
2023 </programlisting>
2024
2025 </para>
2026
2027 <para>
2028 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2029 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2030 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2031 </para>
2032
2033 <para>
2034
2035 <programlisting>
2036   f :: Foo -> Bool
2037   f (MkFoo val fn) = fn val
2038 </programlisting>
2039
2040 </para>
2041
2042 <para>
2043 What this allows us to do is to package heterogeneous values
2044 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2045 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2046 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2047 </para>
2048
2049 <sect3 id="existential">
2050 <title>Why existential?
2051 </title>
2052
2053 <para>
2054 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2055 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2056 </para>
2057
2058 <para>
2059
2060 <programlisting>
2061   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2062 </programlisting>
2063
2064 </para>
2065
2066 <para>
2067 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2068 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2069 adding a new existential quantification construct.
2070 </para>
2071
2072 </sect3>
2073
2074 <sect3 id="existential-with-context">
2075 <title>Existentials and type classes</title>
2076
2077 <para>
2078 An easy extension is to allow
2079 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2080 </para>
2081
2082 <para>
2083
2084 <programlisting>
2085 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2086          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2087 </programlisting>
2088
2089 </para>
2090
2091 <para>
2092 The two constructors have the types you'd expect:
2093 </para>
2094
2095 <para>
2096
2097 <programlisting>
2098 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2099 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2100 </programlisting>
2101
2102 </para>
2103
2104 <para>
2105 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2106 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2107 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2108 So this program is legal:
2109 </para>
2110
2111 <para>
2112
2113 <programlisting>
2114   f :: Baz -> String
2115   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2116                | otherwise = "No"
2117   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2118 </programlisting>
2119
2120 </para>
2121
2122 <para>
2123 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2124 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2125 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2126 extract it on pattern matching.
2127 </para>
2128
2129 </sect3>
2130
2131 <sect3 id="existential-records">
2132 <title>Record Constructors</title>
2133
2134 <para>
2135 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
2136
2137 <programlisting>
2138 data Counter a = forall self. NewCounter
2139     { _this    :: self
2140     , _inc     :: self -> self
2141     , _display :: self -> IO ()
2142     , tag      :: a
2143     }
2144 </programlisting>
2145 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
2146 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
2147 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
2148 <literal>_inc</literal> or <literal>_display</literal> as functions will raise a
2149 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
2150 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
2151 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
2152 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
2153 </para>
2154
2155 <para>
2156 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
2157
2158 <programlisting>
2159 inc :: Counter a -> Counter a
2160 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
2161     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
2162
2163 display :: Counter a -> IO ()
2164 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
2165 </programlisting>
2166
2167 Now we can define counters with different underlying implementations:
2168
2169 <programlisting>
2170 counterA :: Counter String 
2171 counterA = NewCounter
2172     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
2173
2174 counterB :: Counter String 
2175 counterB = NewCounter
2176     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
2177
2178 main = do
2179     display (inc counterA)         -- prints "1"
2180     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
2181 </programlisting>
2182
2183 Record update syntax is supported for existentials (and GADTs):
2184 <programlisting>
2185 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
2186 setTag obj t = obj{ tag = t }
2187 </programlisting>
2188 The rule for record update is this: <emphasis>
2189 the types of the updated fields may
2190 mention only the universally-quantified type variables
2191 of the data constructor.  For GADTs, the field may mention only types
2192 that appear as a simple type-variable argument in the constructor's result
2193 type</emphasis>.  For example:
2194 <programlisting>
2195 data T a b where { T1 { f1::a, f2::b, f3::(b,c) } :: T a b } -- c is existential
2196 upd1 t x = t { f1=x }   -- OK:   upd1 :: T a b -> a' -> T a' b
2197 upd2 t x = t { f3=x }   -- BAD   (f3's type mentions c, which is
2198                         --        existentially quantified)
2199
2200 data G a b where { G1 { g1::a, g2::c } :: G a [c] }
2201 upd3 g x = g { g1=x }   -- OK:   upd3 :: G a b -> c -> G c b
2202 upd4 g x = g { g2=x }   -- BAD (f2's type mentions c, which is not a simple
2203                         --      type-variable argument in G1's result type)
2204 </programlisting>
2205 </para>
2206
2207 </sect3>
2208
2209
2210 <sect3>
2211 <title>Restrictions</title>
2212
2213 <para>
2214 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2215 constructors can be use.
2216 </para>
2217
2218 <para>
2219
2220 <itemizedlist>
2221 <listitem>
2222
2223 <para>
2224  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2225 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2226 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2227 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2228
2229
2230 <programlisting>
2231 f1 (MkFoo a f) = a
2232 </programlisting>
2233
2234
2235 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2236 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2237 ask what type <function>f1</function> has:
2238
2239
2240 <programlisting>
2241   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2242 </programlisting>
2243
2244
2245 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2246 this:
2247
2248
2249 <programlisting>
2250   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2251 </programlisting>
2252
2253
2254 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2255
2256
2257 <programlisting>
2258   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2259 </programlisting>
2260
2261
2262 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2263 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2264 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2265
2266
2267 </para>
2268 </listitem>
2269 <listitem>
2270
2271 <para>
2272 You can't pattern-match on an existentially quantified
2273 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2274 bindings. So this is illegal:
2275
2276
2277 <programlisting>
2278   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2279 </programlisting>
2280
2281 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2282
2283 <programlisting>
2284   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2285 </programlisting>
2286
2287 In general, you can only pattern-match
2288 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2289 in the patterns of a function definition.
2290
2291 The reason for this restriction is really an implementation one.
2292 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2293 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2294 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2295 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2296 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2297 annoying it is.
2298
2299 </para>
2300 </listitem>
2301 <listitem>
2302
2303 <para>
2304 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2305 declarations.  So this is illegal:
2306
2307
2308 <programlisting>
2309   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2310 </programlisting>
2311
2312
2313 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
2314 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
2315 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
2316 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
2317 You can get just the same efficiency and effect by using
2318 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
2319 there is no overloading involved, then there is more of a case for
2320 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
2321 because the <literal>data</literal> version does carry an
2322 implementation cost, but single-field existentially quantified
2323 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
2324 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
2325 are convincing reasons to change it.
2326
2327
2328 </para>
2329 </listitem>
2330 <listitem>
2331
2332 <para>
2333  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2334 data type with existentially quantified data constructors.
2335
2336 Reason: in most cases it would not make sense. For example:;
2337
2338 <programlisting>
2339 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2340 </programlisting>
2341
2342 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2343 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2344
2345 <programlisting>
2346 instance Eq T where
2347   (MkT a) == (MkT b) = ???
2348 </programlisting>
2349
2350 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
2351 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2352 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2353 declarations.  Define your own instances!
2354 </para>
2355 </listitem>
2356
2357 </itemizedlist>
2358
2359 </para>
2360
2361 </sect3>
2362 </sect2>
2363
2364 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
2365
2366 <sect2 id="gadt-style">
2367 <title>Declaring data types with explicit constructor signatures</title>
2368
2369 <para>GHC allows you to declare an algebraic data type by 
2370 giving the type signatures of constructors explicitly.  For example:
2371 <programlisting>
2372   data Maybe a where
2373       Nothing :: Maybe a
2374       Just    :: a -> Maybe a
2375 </programlisting>
2376 The form is called a "GADT-style declaration"
2377 because Generalised Algebraic Data Types, described in <xref linkend="gadt"/>, 
2378 can only be declared using this form.</para>
2379 <para>Notice that GADT-style syntax generalises existential types (<xref linkend="existential-quantification"/>).  
2380 For example, these two declarations are equivalent:
2381 <programlisting>
2382   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2383   data Foo' where { MKFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo' }
2384 </programlisting>
2385 </para>
2386 <para>Any data type that can be declared in standard Haskell-98 syntax 
2387 can also be declared using GADT-style syntax.
2388 The choice is largely stylistic, but GADT-style declarations differ in one important respect:
2389 they treat class constraints on the data constructors differently.
2390 Specifically, if the constructor is given a type-class context, that
2391 context is made available by pattern matching.  For example:
2392 <programlisting>
2393   data Set a where
2394     MkSet :: Eq a => [a] -> Set a
2395
2396   makeSet :: Eq a => [a] -> Set a
2397   makeSet xs = MkSet (nub xs)
2398
2399   insert :: a -> Set a -> Set a
2400   insert a (MkSet as) | a `elem` as = MkSet as
2401                       | otherwise   = MkSet (a:as)
2402 </programlisting>
2403 A use of <literal>MkSet</literal> as a constructor (e.g. in the definition of <literal>makeSet</literal>) 
2404 gives rise to a <literal>(Eq a)</literal>
2405 constraint, as you would expect.  The new feature is that pattern-matching on <literal>MkSet</literal>
2406 (as in the definition of <literal>insert</literal>) makes <emphasis>available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal>
2407 context.  In implementation terms, the <literal>MkSet</literal> constructor has a hidden field that stores
2408 the <literal>(Eq a)</literal> dictionary that is passed to <literal>MkSet</literal>; so
2409 when pattern-matching that dictionary becomes available for the right-hand side of the match.
2410 In the example, the equality dictionary is used to satisfy the equality constraint 
2411 generated by the call to <literal>elem</literal>, so that the type of
2412 <literal>insert</literal> itself has no <literal>Eq</literal> constraint.
2413 </para>
2414 <para>
2415 For example, one possible application is to reify dictionaries:
2416 <programlisting>
2417    data NumInst a where
2418      MkNumInst :: Num a => NumInst a
2419
2420    intInst :: NumInst Int
2421    intInst = MkNumInst
2422
2423    plus :: NumInst a -> a -> a -> a
2424    plus MkNumInst p q = p + q
2425 </programlisting>
2426 Here, a value of type <literal>NumInst a</literal> is equivalent 
2427 to an explicit <literal>(Num a)</literal> dictionary.
2428 </para>
2429 <para>
2430 All this applies to constructors declared using the syntax of <xref linkend="existential-with-context"/>.
2431 For example, the <literal>NumInst</literal> data type above could equivalently be declared 
2432 like this:
2433 <programlisting>
2434    data NumInst a 
2435       = Num a => MkNumInst (NumInst a)
2436 </programlisting>
2437 Notice that, unlike the situation when declaring an existential, there is 
2438 no <literal>forall</literal>, because the <literal>Num</literal> constrains the
2439 data type's universally quantified type variable <literal>a</literal>.  
2440 A constructor may have both universal and existential type variables: for example,
2441 the following two declarations are equivalent:
2442 <programlisting>
2443    data T1 a 
2444         = forall b. (Num a, Eq b) => MkT1 a b
2445    data T2 a where
2446         MkT2 :: (Num a, Eq b) => a -> b -> T2 a
2447 </programlisting>
2448 </para>
2449 <para>All this behaviour contrasts with Haskell 98's peculiar treatment of 
2450 contexts on a data type declaration (Section 4.2.1 of the Haskell 98 Report).
2451 In Haskell 98 the definition
2452 <programlisting>
2453   data Eq a => Set' a = MkSet' [a]
2454 </programlisting>
2455 gives <literal>MkSet'</literal> the same type as <literal>MkSet</literal> above.  But instead of 
2456 <emphasis>making available</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint, pattern-matching
2457 on <literal>MkSet'</literal> <emphasis>requires</emphasis> an <literal>(Eq a)</literal> constraint!
2458 GHC faithfully implements this behaviour, odd though it is.  But for GADT-style declarations,
2459 GHC's behaviour is much more useful, as well as much more intuitive.
2460 </para>
2461
2462 <para>
2463 The rest of this section gives further details about GADT-style data
2464 type declarations.
2465
2466 <itemizedlist>
2467 <listitem><para>
2468 The result type of each data constructor must begin with the type constructor being defined.
2469 If the result type of all constructors 
2470 has the form <literal>T a1 ... an</literal>, where <literal>a1 ... an</literal>
2471 are distinct type variables, then the data type is <emphasis>ordinary</emphasis>;
2472 otherwise is a <emphasis>generalised</emphasis> data type (<xref linkend="gadt"/>).
2473 </para></listitem>
2474
2475 <listitem><para>
2476 As with other type signatures, you can give a single signature for several data constructors.
2477 In this example we give a single signature for <literal>T1</literal> and <literal>T2</literal>:
2478 <programlisting>
2479   data T a where
2480     T1,T2 :: a -> T a
2481     T3 :: T a
2482 </programlisting>
2483 </para></listitem>
2484
2485 <listitem><para>
2486 The type signature of
2487 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. 
2488 In particular, the type variable(s) in the "<literal>data T a where</literal>" header 
2489 have no scope, and different constructors may have different universally-quantified type variables:
2490 <programlisting>
2491   data T a where        -- The 'a' has no scope
2492     T1,T2 :: b -> T b   -- Means forall b. b -> T b
2493     T3 :: T a           -- Means forall a. T a
2494 </programlisting>
2495 </para></listitem>
2496
2497 <listitem><para>
2498 A constructor signature may mention type class constraints, which can differ for
2499 different constructors.  For example, this is fine:
2500 <programlisting>
2501   data T a where
2502     T1 :: Eq b => b -> b -> T b
2503     T2 :: (Show c, Ix c) => c -> [c] -> T c
2504 </programlisting>
2505 When patten matching, these constraints are made available to discharge constraints
2506 in the body of the match. For example:
2507 <programlisting>
2508   f :: T a -> String
2509   f (T1 x y) | x==y      = "yes"
2510              | otherwise = "no"
2511   f (T2 a b)             = show a
2512 </programlisting>
2513 Note that <literal>f</literal> is not overloaded; the <literal>Eq</literal> constraint arising
2514 from the use of <literal>==</literal> is discharged by the pattern match on <literal>T1</literal>
2515 and similarly the <literal>Show</literal> constraint arising from the use of <literal>show</literal>.
2516 </para></listitem>
2517
2518 <listitem><para>
2519 Unlike a Haskell-98-style 
2520 data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Set a where</literal>" header 
2521 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
2522 <programlisting>
2523   data Set :: * -> * where ...
2524 </programlisting>
2525 or even a mixture of the two:
2526 <programlisting>
2527   data Bar a :: (* -> *) -> * where ...
2528 </programlisting>
2529 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
2530 like this:
2531 <programlisting>
2532   data Bar a (b :: * -> *) where ...
2533 </programlisting>
2534 </para></listitem>
2535
2536
2537 <listitem><para>
2538 You can use strictness annotations, in the obvious places
2539 in the constructor type:
2540 <programlisting>
2541   data Term a where
2542       Lit    :: !Int -> Term Int
2543       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
2544       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2545 </programlisting>
2546 </para></listitem>
2547
2548 <listitem><para>
2549 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
2550 declaration.   For example, these two declarations are equivalent
2551 <programlisting>
2552   data Maybe1 a where {
2553       Nothing1 :: Maybe1 a ;
2554       Just1    :: a -> Maybe1 a
2555     } deriving( Eq, Ord )
2556
2557   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
2558        deriving( Eq, Ord )
2559 </programlisting>
2560 </para></listitem>
2561
2562 <listitem><para>
2563 The type signature may have quantified type variables that do not appear
2564 in the result type:
2565 <programlisting>
2566   data Foo where
2567      MkFoo :: a -> (a->Bool) -> Foo
2568      Nil   :: Foo
2569 </programlisting>
2570 Here the type variable <literal>a</literal> does not appear in the result type
2571 of either constructor.  
2572 Although it is universally quantified in the type of the constructor, such
2573 a type variable is often called "existential".  
2574 Indeed, the above declaration declares precisely the same type as 
2575 the <literal>data Foo</literal> in <xref linkend="existential-quantification"/>.
2576 </para><para>
2577 The type may contain a class context too, of course:
2578 <programlisting>
2579   data Showable where
2580     MkShowable :: Show a => a -> Showable
2581 </programlisting>
2582 </para></listitem>
2583
2584 <listitem><para>
2585 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
2586
2587 <programlisting>
2588   data Person where
2589       Adult :: { name :: String, children :: [Person] } -> Person
2590       Child :: Show a => { name :: !String, funny :: a } -> Person
2591 </programlisting>
2592 As usual, for every constructor that has a field <literal>f</literal>, the type of
2593 field <literal>f</literal> must be the same (modulo alpha conversion).
2594 The <literal>Child</literal> constructor above shows that the signature
2595 may have a context, existentially-quantified variables, and strictness annotations, 
2596 just as in the non-record case.  (NB: the "type" that follows the double-colon
2597 is not really a type, because of the record syntax and strictness annotations.
2598 A "type" of this form can appear only in a constructor signature.)
2599 </para></listitem>
2600
2601 <listitem><para> 
2602 Record updates are allowed with GADT-style declarations, 
2603 only fields that have the following property: the type of the field
2604 mentions no existential type variables.
2605 </para></listitem>
2606
2607 <listitem><para> 
2608 As in the case of existentials declared using the Haskell-98-like record syntax 
2609 (<xref linkend="existential-records"/>),
2610 record-selector functions are generated only for those fields that have well-typed
2611 selectors.  
2612 Here is the example of that section, in GADT-style syntax:
2613 <programlisting>
2614 data Counter a where
2615     NewCounter { _this    :: self
2616                , _inc     :: self -> self
2617                , _display :: self -> IO ()
2618                , tag      :: a
2619                }
2620         :: Counter a
2621 </programlisting>
2622 As before, only one selector function is generated here, that for <literal>tag</literal>.
2623 Nevertheless, you can still use all the field names in pattern matching and record construction.
2624 </para></listitem>
2625 </itemizedlist></para>
2626 </sect2>
2627
2628 <sect2 id="gadt">
2629 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
2630
2631 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types 
2632 by allowing constructors to have richer return types.  Here is an example:
2633 <programlisting>
2634   data Term a where
2635       Lit    :: Int -> Term Int
2636       Succ   :: Term Int -> Term Int
2637       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
2638       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
2639       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
2640 </programlisting>
2641 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
2642 case with ordinary data types.  This generality allows us to 
2643 write a well-typed <literal>eval</literal> function
2644 for these <literal>Terms</literal>:
2645 <programlisting>
2646   eval :: Term a -> a
2647   eval (Lit i)      = i
2648   eval (Succ t)     = 1 + eval t
2649   eval (IsZero t)   = eval t == 0
2650   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
2651   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
2652 </programlisting>
2653 The key point about GADTs is that <emphasis>pattern matching causes type refinement</emphasis>.  
2654 For example, in the right hand side of the equation
2655 <programlisting>
2656   eval :: Term a -> a
2657   eval (Lit i) =  ...
2658 </programlisting>
2659 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  That's the whole point!
2660 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, 
2661 but the design closely follows that described in
2662 the paper <ulink
2663 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/">Simple
2664 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
2665 (ICFP 2006).
2666 The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out 
2667 based on user-supplied type annotations</emphasis>.
2668 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, 
2669 and lots of obscure error messages will
2670 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
2671 <programlisting>
2672   eval :: Term a -> a -> a
2673   eval (Lit i) j =  i+j
2674 </programlisting>
2675 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
2676 of the constructor <literal>Lit</literal>), and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
2677 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
2678 </para>
2679 <para>
2680 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
2681 Tim Sheard. There is a longer introduction
2682 <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
2683 and Ralf Hinze's
2684 <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
2685 may use different notation to that implemented in GHC.
2686 </para>
2687 <para>
2688 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs.   The extension is enabled with 
2689 <option>-XGADTs</option>.  The <option>-XGADTs</option> flag also sets <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
2690 <itemizedlist>
2691 <listitem><para>
2692 A GADT can only be declared using GADT-style syntax (<xref linkend="gadt-style"/>); 
2693 the old Haskell-98 syntax for data declarations always declares an ordinary data type.
2694 The result type of each constructor must begin with the type constructor being defined,
2695 but for a GADT the arguments to the type constructor can be arbitrary monotypes.  
2696 For example, in the <literal>Term</literal> data
2697 type above, the type of each constructor must end with <literal>Term ty</literal>, but
2698 the <literal>ty</literal> need not be a type variable (e.g. the <literal>Lit</literal>
2699 constructor).
2700 </para></listitem>
2701
2702 <listitem><para>
2703 It is permitted to declare an ordinary algebraic data type using GADT-style syntax.
2704 What makes a GADT into a GADT is not the syntax, but rather the presence of data constructors
2705 whose result type is not just <literal>T a b</literal>.
2706 </para></listitem>
2707
2708 <listitem><para>
2709 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause for a GADT; only for
2710 an ordinary data type.
2711 </para></listitem>
2712
2713 <listitem><para>
2714 As mentioned in <xref linkend="gadt-style"/>, record syntax is supported.
2715 For example:
2716 <programlisting>
2717   data Term a where
2718       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
2719       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
2720       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
2721       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
2722       Pair   { arg1 :: Term a
2723              , arg2 :: Term b
2724              }                    :: Term (a,b)
2725       If     { cnd  :: Term Bool
2726              , tru  :: Term a
2727              , fls  :: Term a
2728              }                    :: Term a
2729 </programlisting>
2730 However, for GADTs there is the following additional constraint: 
2731 every constructor that has a field <literal>f</literal> must have
2732 the same result type (modulo alpha conversion)
2733 Hence, in the above example, we cannot merge the <literal>num</literal> 
2734 and <literal>arg</literal> fields above into a 
2735 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
2736 their selector functions actually have different types:
2737
2738 <programlisting>
2739   num :: Term Int -> Term Int
2740   arg :: Term Bool -> Term Int
2741 </programlisting>
2742 </para></listitem>
2743
2744 <listitem><para>
2745 When pattern-matching against data constructors drawn from a GADT, 
2746 for example in a <literal>case</literal> expression, the following rules apply:
2747 <itemizedlist>
2748 <listitem><para>The type of the scrutinee must be rigid.</para></listitem>
2749 <listitem><para>The type of the entire <literal>case</literal> expression must be rigid.</para></listitem>
2750 <listitem><para>The type of any free variable mentioned in any of
2751 the <literal>case</literal> alternatives must be rigid.</para></listitem>
2752 </itemizedlist>
2753 A type is "rigid" if it is completely known to the compiler at its binding site.  The easiest
2754 way to ensure that a variable a rigid type is to give it a type signature.
2755 For more precise details see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt">
2756 Simple unification-based type inference for GADTs
2757 </ulink>. The criteria implemented by GHC are given in the Appendix.
2758
2759 </para></listitem>
2760
2761 </itemizedlist>
2762 </para>
2763
2764 </sect2>
2765 </sect1>
2766
2767 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
2768
2769 <sect1 id="deriving">
2770 <title>Extensions to the "deriving" mechanism</title>
2771
2772 <sect2 id="deriving-inferred">
2773 <title>Inferred context for deriving clauses</title>
2774
2775 <para>
2776 The Haskell Report is vague about exactly when a <literal>deriving</literal> clause is
2777 legal.  For example:
2778 <programlisting>
2779   data T0 f a = MkT0 a         deriving( Eq )
2780   data T1 f a = MkT1 (f a)     deriving( Eq )
2781   data T2 f a = MkT2 (f (f a)) deriving( Eq )
2782 </programlisting>
2783 The natural generated <literal>Eq</literal> code would result in these instance declarations:
2784 <programlisting>
2785   instance Eq a         => Eq (T0 f a) where ...
2786   instance Eq (f a)     => Eq (T1 f a) where ...
2787   instance Eq (f (f a)) => Eq (T2 f a) where ...
2788 </programlisting>
2789 The first of these is obviously fine. The second is still fine, although less obviously. 
2790 The third is not Haskell 98, and risks losing termination of instances.
2791 </para>
2792 <para>
2793 GHC takes a conservative position: it accepts the first two, but not the third.  The  rule is this:
2794 each constraint in the inferred instance context must consist only of type variables, 
2795 with no repetitions.
2796 </para>
2797 <para>
2798 This rule is applied regardless of flags.  If you want a more exotic context, you can write
2799 it yourself, using the <link linkend="stand-alone-deriving">standalone deriving mechanism</link>.
2800 </para>
2801 </sect2>
2802
2803 <sect2 id="stand-alone-deriving">
2804 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
2805
2806 <para>
2807 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations, enabled by <literal>-XStandaloneDeriving</literal>:
2808 <programlisting>
2809   data Foo a = Bar a | Baz String
2810
2811   deriving instance Eq a => Eq (Foo a)
2812 </programlisting>
2813 The syntax is identical to that of an ordinary instance declaration apart from (a) the keyword
2814 <literal>deriving</literal>, and (b) the absence of the <literal>where</literal> part.
2815 Note the following points:
2816 <itemizedlist>
2817 <listitem><para>
2818 You must supply an explicit context (in the example the context is <literal>(Eq a)</literal>), 
2819 exactly as you would in an ordinary instance declaration.
2820 (In contrast, in a <literal>deriving</literal> clause 
2821 attached to a data type declaration, the context is inferred.) 
2822 </para></listitem>
2823
2824 <listitem><para>
2825 A <literal>deriving instance</literal> declaration
2826 must obey the same rules concerning form and termination as ordinary instance declarations,
2827 controlled by the same flags; see <xref linkend="instance-decls"/>.
2828 </para></listitem>
2829
2830 <listitem><para>
2831 Unlike a <literal>deriving</literal>
2832 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, the instance can be more specific
2833 than the data type (assuming you also use 
2834 <literal>-XFlexibleInstances</literal>, <xref linkend="instance-rules"/>).  Consider
2835 for example
2836 <programlisting>
2837   data Foo a = Bar a | Baz String
2838
2839   deriving instance Eq a => Eq (Foo [a])
2840   deriving instance Eq a => Eq (Foo (Maybe a))
2841 </programlisting>
2842 This will generate a derived instance for <literal>(Foo [a])</literal> and <literal>(Foo (Maybe a))</literal>,
2843 but other types such as <literal>(Foo (Int,Bool))</literal> will not be an instance of <literal>Eq</literal>.
2844 </para></listitem>
2845
2846 <listitem><para>
2847 Unlike a <literal>deriving</literal>
2848 declaration attached to a <literal>data</literal> declaration, 
2849 GHC does not restrict the form of the data type.  Instead, GHC simply generates the appropriate
2850 boilerplate code for the specified class, and typechecks it. If there is a type error, it is
2851 your problem. (GHC will show you the offending code if it has a type error.) 
2852 The merit of this is that you can derive instances for GADTs and other exotic
2853 data types, providing only that the boilerplate code does indeed typecheck.  For example:
2854 <programlisting>
2855   data T a where
2856      T1 :: T Int
2857      T2 :: T Bool
2858
2859   deriving instance Show (T a)
2860 </programlisting>
2861 In this example, you cannot say <literal>... deriving( Show )</literal> on the 
2862 data type declaration for <literal>T</literal>, 
2863 because <literal>T</literal> is a GADT, but you <emphasis>can</emphasis> generate
2864 the instance declaration using stand-alone deriving.
2865 </para>
2866 </listitem>
2867
2868 <listitem>
2869 <para>The stand-alone syntax is generalised for newtypes in exactly the same
2870 way that ordinary <literal>deriving</literal> clauses are generalised (<xref linkend="newtype-deriving"/>).
2871 For example:
2872 <programlisting>
2873   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
2874
2875   deriving instance MonadState Int Foo
2876 </programlisting>
2877 GHC always treats the <emphasis>last</emphasis> parameter of the instance
2878 (<literal>Foo</literal> in this example) as the type whose instance is being derived.
2879 </para></listitem>
2880 </itemizedlist></para>
2881
2882 </sect2>
2883
2884
2885 <sect2 id="deriving-typeable">
2886 <title>Deriving clause for extra classes (<literal>Typeable</literal>, <literal>Data</literal>, etc)</title>
2887
2888 <para>
2889 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
2890 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
2891 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
2892 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
2893 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
2894 </para>
2895 <para>
2896 GHC extends this list with several more classes that may be automatically derived:
2897 <itemizedlist>
2898 <listitem><para> With <option>-XDeriveDataTypeable</option>, you can derive instances of the classes
2899 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>, defined in the library
2900 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively.
2901 </para>
2902 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
2903 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
2904 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
2905 described in
2906 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
2907 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
2908 </ulink>.
2909 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
2910 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
2911 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
2912 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
2913 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
2914 then writing the data type instance by hand.
2915 </para>
2916 </listitem>
2917
2918 <listitem><para> With <option>-XDeriveFunctor</option>, you can derive instances of 
2919 the class <literal>Functor</literal>,
2920 defined in <literal>GHC.Base</literal>.
2921 </para></listitem>
2922
2923 <listitem><para> With <option>-XDeriveFoldable</option>, you can derive instances of 
2924 the class <literal>Foldable</literal>,
2925 defined in <literal>Data.Foldable</literal>.
2926 </para></listitem>
2927
2928 <listitem><para> With <option>-XDeriveTraversable</option>, you can derive instances of 
2929 the class <literal>Traversable</literal>,
2930 defined in <literal>Data.Traversable</literal>.
2931 </para></listitem>
2932 </itemizedlist>
2933 In each case the appropriate class must be in scope before it 
2934 can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
2935 </para>
2936 </sect2>
2937
2938 <sect2 id="newtype-deriving">
2939 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2940
2941 <para>
2942 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2943 the new type to inherit some instances from its representation. In
2944 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2945 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2946 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2947 example, if you define
2948
2949 <programlisting>
2950   newtype Dollars = Dollars Int 
2951 </programlisting>
2952
2953 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2954 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2955
2956 <programlisting>
2957   instance Num Dollars where
2958     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2959     ...
2960 </programlisting>
2961 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
2962 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
2963 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
2964 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
2965 dictionary, only slower!
2966 </para>
2967
2968
2969 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
2970 <para>
2971 GHC now permits such instances to be derived instead, 
2972 using the flag <option>-XGeneralizedNewtypeDeriving</option>,
2973 so one can write 
2974 <programlisting>
2975   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
2976 </programlisting>
2977
2978 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
2979 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
2980 derives an instance declaration of the form
2981
2982 <programlisting>
2983   instance Num Int => Num Dollars
2984 </programlisting>
2985
2986 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
2987 </para>
2988 <para>
2989
2990 We can also derive instances of constructor classes in a similar
2991 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
2992 transformers, such that
2993
2994 <programlisting>
2995   instance Monad m => Monad (State s m) 
2996   instance Monad m => Monad (Failure m)
2997 </programlisting>
2998 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
2999 <programlisting>
3000   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3001 </programlisting>
3002
3003 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3004 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3005 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3006
3007 <programlisting>
3008   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3009                          deriving Monad
3010 </programlisting>
3011 In this case the derived instance declaration is of the form 
3012 <programlisting>
3013   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3014 </programlisting>
3015
3016 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3017 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3018 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3019 "eta-converted" to generate the context of the instance
3020 declaration.
3021 </para>
3022 <para>
3023
3024 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3025 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3026 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3027 clause. For example, given the class
3028
3029 <programlisting>
3030   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3031   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3032 </programlisting>
3033 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3034 <programlisting>
3035   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3036                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3037 </programlisting>
3038
3039 The derived instance is obtained by completing the application of the
3040 class to the new type:
3041
3042 <programlisting>
3043   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3044            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3045 </programlisting>
3046 </para>
3047 <para>
3048
3049 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3050  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3051 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3052 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3053 the newtype and its representation.
3054 </para>
3055 </sect3>
3056
3057 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3058 <para>
3059 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3060 declaration (after expansion of any type synonyms)
3061
3062 <programlisting>
3063   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3064 </programlisting>
3065
3066 where 
3067  <itemizedlist>
3068 <listitem><para>
3069   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3070   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3071   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3072 </para></listitem>
3073 <listitem><para>
3074   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
3075 </para></listitem>
3076 <listitem><para>
3077   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
3078 </para></listitem>
3079 <listitem><para>
3080   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
3081   nor in the <literal>ci</literal>, and
3082 </para></listitem>
3083 <listitem><para>
3084   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3085                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3086                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3087                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3088                 via this new mechanism.  
3089 </para></listitem>
3090 </itemizedlist>
3091 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3092 declaration is:
3093 <programlisting>
3094   instance ci t => ci (T v1...vk)
3095 </programlisting>
3096 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3097 <programlisting>
3098   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3099 </programlisting>
3100 Here we cannot derive the instance 
3101 <programlisting>
3102   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3103 </programlisting>
3104
3105 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3106 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3107 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3108 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3109 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3110 </para>
3111 <para>
3112
3113 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3114 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3115 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3116
3117 <programlisting>
3118   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3119 </programlisting>
3120
3121 then we would not have been able to derive an instance for the
3122 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3123 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3124 instances is most interesting.
3125 </para>
3126 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3127 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3128 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3129 4.3.3. of the Haskell Report).
3130 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3131 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3132 the standard method is used or the one described here.)
3133 </para>
3134 </sect3>
3135 </sect2>
3136 </sect1>
3137
3138
3139 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
3140 <sect1 id="type-class-extensions">
3141 <title>Class and instances declarations</title>
3142
3143 <sect2 id="multi-param-type-classes">
3144 <title>Class declarations</title>
3145
3146 <para>
3147 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
3148 There's lots of background in the paper <ulink
3149 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space/">Type
3150 classes: exploring the design space</ulink> (Simon Peyton Jones, Mark
3151 Jones, Erik Meijer).
3152 </para>
3153 <para>
3154 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
3155 </para>
3156
3157 <sect3>
3158 <title>Multi-parameter type classes</title>
3159 <para>
3160 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
3161
3162
3163 <programlisting>
3164   class Collection c a where
3165     union :: c a -> c a -> c a
3166     ...etc.
3167 </programlisting>
3168
3169 </para>
3170 </sect3>
3171
3172 <sect3>
3173 <title>The superclasses of a class declaration</title>
3174
3175 <para>
3176 There are no restrictions on the context in a class declaration
3177 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
3178 be acyclic.  So these class declarations are OK:
3179
3180
3181 <programlisting>
3182   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
3183     ...
3184
3185   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
3186     lift :: m a -> (t m) a
3187 </programlisting>
3188
3189
3190 </para>
3191 <para>
3192 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
3193 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
3194 this is OK:
3195
3196
3197 <programlisting>
3198   class C a where {
3199     op :: D b => a -> b -> b
3200   }
3201
3202   class C a => D a where { ... }
3203 </programlisting>
3204
3205
3206 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
3207 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
3208 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
3209 </para>
3210 </sect3>
3211
3212
3213
3214
3215 <sect3 id="class-method-types">
3216 <title>Class method types</title>
3217
3218 <para>
3219 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
3220 class type variable, thus:
3221 <programlisting>
3222   class Seq s a where
3223     fromList :: [a] -> s a
3224     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
3225 </programlisting>
3226 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
3227 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
3228 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
3229 GHC lifts this restriction (flag <option>-XConstrainedClassMethods</option>).
3230 </para>
3231
3232
3233 </sect3>
3234 </sect2>
3235
3236 <sect2 id="functional-dependencies">
3237 <title>Functional dependencies
3238 </title>
3239
3240 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
3241 in &ldquo;<ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/jones00type.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
3242 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
3243 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
3244 .
3245 </para>
3246 <para>
3247 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
3248 class declaration;  e.g. 
3249 <programlisting>
3250   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
3251
3252   class Foo a b c | a b -> c where ...
3253 </programlisting>
3254 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
3255 </para>
3256
3257 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
3258 <para>
3259 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
3260 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
3261 from the free variables of each method type.
3262 For example:
3263
3264 <programlisting>
3265   class Coll s a where
3266     empty  :: s
3267     insert :: s -> a -> s
3268 </programlisting>
3269
3270 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
3271 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
3272 reachable:
3273 <programlisting>
3274   class Coll s a | s -> a where
3275     empty  :: s
3276     insert :: s -> a -> s
3277 </programlisting>
3278
3279 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
3280
3281 <programlisting>
3282   class Coll s a where
3283     empty  :: s a
3284     insert :: s a -> a -> s a
3285 </programlisting>
3286
3287
3288 which makes the connection between the type of a collection of
3289 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
3290 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
3291 class like this:
3292
3293
3294 <programlisting>
3295   class CollE s where
3296     empty  :: s
3297
3298   class CollE s => Coll s a where
3299     insert :: s -> a -> s
3300 </programlisting>
3301 </para>
3302 </sect3>
3303
3304
3305 <sect3>
3306 <title>Background on functional dependencies</title>
3307
3308 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
3309 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
3310 permission of Mark Jones.
3311 </para>
3312 <para> 
3313 Consider the following class, intended as part of a
3314 library for collection types:
3315 <programlisting>
3316    class Collects e ce where
3317        empty  :: ce
3318        insert :: e -> ce -> ce
3319        member :: e -> ce -> Bool
3320 </programlisting>
3321 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
3322 of the container itself. Within this framework, we might want to define
3323 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
3324 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
3325 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
3326 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
3327 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
3328 <programlisting>
3329    instance Eq e => Collects e [e] where ...
3330    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
3331    instance Collects Char BitSet where ...
3332    instance (Hashable e, Collects a ce)
3333               => Collects e (Array Int ce) where ...
3334 </programlisting>
3335 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
3336 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
3337 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
3338 <programlisting>
3339    empty :: Collects e ce => ce
3340 </programlisting>
3341 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
3342 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
3343 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
3344 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
3345 type.
3346 </para>
3347 <para>
3348 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
3349 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
3350 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
3351 them. For example, consider the following two functions: 
3352 <programlisting>
3353    f x y = insert x . insert y
3354    g     = f True 'a'
3355 </programlisting>
3356 for which GHC infers the following types: 
3357 <programlisting>
3358    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3359    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
3360 </programlisting>
3361 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
3362 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
3363 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
3364 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
3365 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
3366 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
3367 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
3368 might even be in a different module.
3369 </para>
3370
3371 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
3372
3373 <para>
3374 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
3375 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
3376 <programlisting>
3377    class Collects e c where
3378       empty  :: c e
3379       insert :: e -> c e -> c e
3380       member :: e -> c e -> Bool
3381 </programlisting>
3382 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
3383 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
3384 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
3385 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
3386 e</literal>, which is not ambiguous. 
3387 </para>
3388 <para>
3389 The function f from the previous section has a more accurate type: 
3390 <programlisting>
3391    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
3392 </programlisting>
3393 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
3394 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
3395 different types. 
3396 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
3397 quite well in practice, without ambiguity problems.
3398 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
3399 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
3400 for <literal>Collects</literal>
3401 given above can be used with this version of Collects because only one of
3402 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
3403 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
3404 </para>
3405 </sect4>
3406
3407 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
3408
3409 <para>
3410 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
3411 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
3412 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
3413 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
3414 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
3415 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
3416 later framework for "improvement" of qualified types. The
3417 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
3418 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
3419 general design space for systems of implicit parameterization.).
3420
3421 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
3422 <programlisting>
3423    class C a b where ...
3424 </programlisting>
3425 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
3426 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
3427 included in the definition of classes to add information about dependencies
3428 between parameters, as in the following examples: 
3429 <programlisting>
3430    class D a b | a -> b where ...
3431    class E a b | a -> b, b -> a where ...
3432 </programlisting>
3433 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
3434 symbols --- not to be
3435 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
3436 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
3437 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
3438 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
3439 represents a (partial) one-one mapping between types.
3440 </para>
3441 <para>
3442 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
3443 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
3444 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
3445 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
3446 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
3447 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
3448 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
3449 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
3450 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
3451 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
3452 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
3453 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
3454 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
3455 <literal>a-&gt;b</literal>, 
3456  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
3457 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
3458 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
3459 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
3460 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
3461 unchanged.
3462 </para>
3463 <para>
3464 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
3465 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
3466 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
3467 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
3468 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
3469 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
3470 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
3471 <programlisting>
3472    instance D Bool Int where ...
3473    instance D Bool Char where ...
3474 </programlisting>
3475 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
3476 <programlisting>
3477    instance D [a] b where ...
3478 </programlisting>
3479 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
3480 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
3481 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
3482 in any instance of the form: 
3483 <programlisting>
3484    instance D t s where ...
3485 </programlisting>
3486 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
3487 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
3488 uniquely determined.
3489 </para>
3490 <para>
3491 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
3492 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
3493 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
3494 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
3495 with a simple dependency: 
3496 <programlisting>
3497    class Collects e ce | ce -> e where
3498       empty  :: ce
3499       insert :: e -> ce -> ce
3500       member :: e -> ce -> Bool
3501 </programlisting>
3502 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
3503 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
3504 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
3505 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
3506 together with this new definition.
3507 </para>
3508 <para>
3509 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
3510 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
3511 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
3512 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
3513 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
3514 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
3515 give enough information to determine types for both ce and e, without
3516 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
3517 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
3518 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
3519 </para>
3520 <para>
3521 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
3522 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
3523 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
3524 function f: 
3525 <programlisting>
3526    f x y = insert x y = insert x . insert y
3527 </programlisting>
3528 for which we originally obtained a type: 
3529 <programlisting>
3530    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
3531 </programlisting>
3532 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
3533 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
3534 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
3535 can infer a shorter and more accurate type for f: 
3536 <programlisting>
3537    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
3538 </programlisting>
3539 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
3540 </para>
3541 <para>
3542 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
3543 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
3544 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
3545 sets of instance declarations.
3546 </para>
3547 </sect4>
3548 </sect3>
3549 </sect2>
3550
3551 <sect2 id="instance-decls">
3552 <title>Instance declarations</title>
3553
3554 <para>An instance declaration has the form
3555 <screen>
3556   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 ...
3557 </screen>
3558 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
3559 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
3560 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
3561 </para>
3562
3563 <sect3 id="flexible-instance-head">
3564 <title>Relaxed rules for the instance head</title>
3565
3566 <para>
3567 In Haskell 98 the head of an instance declaration
3568 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
3569 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a data type constructor,
3570 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
3571 GHC relaxes these rules in two ways.
3572 <itemizedlist>
3573 <listitem>
3574 <para>
3575 The <option>-XFlexibleInstances</option> flag allows the head of the instance
3576 declaration to mention arbitrary nested types.
3577 For example, this becomes a legal instance declaration
3578 <programlisting>
3579   instance C (Maybe Int) where ...
3580 </programlisting>
3581 See also the <link linkend="instance-overlap">rules on overlap</link>.
3582 </para></listitem>
3583 <listitem><para>
3584 With the <option>-XTypeSynonymInstances</option> flag, instance heads may use type
3585 synonyms. As always, using a type synonym is just shorthand for
3586 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
3587
3588
3589 <programlisting>
3590   type Point = (Int,Int)
3591   instance C Point   where ...
3592   instance C [Point] where ...
3593 </programlisting>
3594
3595
3596 is legal.  However, if you added
3597
3598
3599 <programlisting>
3600   instance C (Int,Int) where ...
3601 </programlisting>
3602
3603
3604 as well, then the compiler will complain about the overlapping
3605 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
3606 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
3607
3608 <programlisting>
3609   type P a = [[a]]
3610   instance Monad P where ...
3611 </programlisting>
3612
3613 </para></listitem>
3614 </itemizedlist>
3615 </para>
3616 </sect3>
3617
3618 <sect3 id="instance-rules">
3619 <title>Relaxed rules for instance contexts</title>
3620
3621 <para>In Haskell 98, the assertions in the context of the instance declaration
3622 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
3623 is a type variable that occurs in the head.
3624 </para>
3625
3626 <para>
3627 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag relaxes this rule, as well
3628 as the corresponding rule for type signatures (see <xref linkend="flexible-contexts"/>).
3629 With this flag the context of the instance declaration can each consist of arbitrary
3630 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
3631 following rules:
3632 <orderedlist>
3633 <listitem><para>
3634 The Paterson Conditions: for each assertion in the context
3635 <orderedlist>
3636 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
3637 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
3638       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
3639 </orderedlist>
3640 </para></listitem>
3641
3642 <listitem><para>The Coverage Condition.  For each functional dependency,
3643 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
3644 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
3645 every type variable in
3646 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
3647 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
3648 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
3649 corresponding type in the instance declaration.
3650 </para></listitem>
3651 </orderedlist>
3652 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
3653 step makes the problem smaller by at least one
3654 constructor.  Both the Paterson Conditions and the Coverage Condition are lifted 
3655 if you give the <option>-XUndecidableInstances</option> 
3656 flag (<xref linkend="undecidable-instances"/>).
3657 You can find lots of background material about the reason for these
3658 restrictions in the paper <ulink
3659 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
3660 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
3661 </para>
3662 <para>
3663 For example, these are OK:
3664 <programlisting>
3665   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
3666   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
3667
3668       -- Repeated type variable in head
3669   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
3670   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
3671
3672       -- Head can consist of type variables only
3673   instance C a
3674   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
3675
3676       -- Non-type variables in context
3677   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
3678   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
3679   instance C2 Int a => C3 [a] b
3680 </programlisting>
3681 But these are not:
3682 <programlisting>
3683       -- Context assertion no smaller than head
3684   instance C a => C a where ...
3685       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
3686   instance C b b => Foo [b] where ...
3687 </programlisting>
3688 </para>
3689
3690 <para>
3691 The same restrictions apply to instances generated by
3692 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
3693 <programlisting>
3694   data MinHeap h a = H a (h a)
3695     deriving (Show)
3696 </programlisting>
3697 because the derived instance
3698 <programlisting>
3699   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
3700 </programlisting>
3701 conforms to the above rules.
3702 </para>
3703
3704 <para>
3705 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
3706 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
3707 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
3708 something more specific does not:
3709 <programlisting>
3710   instance C a where
3711     op = ... -- Default
3712 </programlisting>
3713 </para>
3714 </sect3>
3715
3716 <sect3 id="undecidable-instances">
3717 <title>Undecidable instances</title>
3718
3719 <para>
3720 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
3721 For example, sometimes you might want to use the following to get the
3722 effect of a "class synonym":
3723 <programlisting>
3724   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3725
3726   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
3727 </programlisting>
3728 This allows you to write shorter signatures:
3729 <programlisting>
3730   f :: C a => ...
3731 </programlisting>
3732 instead of
3733 <programlisting>
3734   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
3735 </programlisting>
3736 The restrictions on functional dependencies (<xref
3737 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
3738 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
3739 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
3740 <programlisting>
3741   class HasConverter a b | a -> b where
3742      convert :: a -> b
3743    
3744   data Foo a = MkFoo a
3745
3746   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
3747      show (MkFoo value) = show (convert value)
3748 </programlisting>
3749 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
3750 typechecker loop:
3751 <programlisting>
3752   class D a
3753   class F a b | a->b
3754   instance F [a] [[a]]
3755   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
3756 </programlisting>
3757 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
3758 <programlisting>
3759   class Mul a b c | a b -> c where
3760         (.*.) :: a -> b -> c
3761
3762   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
3763   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
3764   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
3765 </programlisting>
3766 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
3767 and indeed the (somewhat strange) definition:
3768 <programlisting>
3769   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
3770 </programlisting>
3771 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
3772 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
3773 </para>
3774 <para>
3775 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
3776 the experimental flag <option>-XUndecidableInstances</option>
3777 <indexterm><primary>-XUndecidableInstances</primary></indexterm>, 
3778 both the Paterson Conditions and the Coverage Condition
3779 (described in <xref linkend="instance-rules"/>) are lifted.  Termination is ensured by having a
3780 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
3781 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
3782 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
3783 </para>
3784
3785 </sect3>
3786
3787
3788 <sect3 id="instance-overlap">
3789 <title>Overlapping instances</title>
3790 <para>
3791 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
3792 declaration
3793 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
3794 can be modified by two flags: <option>-XOverlappingInstances</option>
3795 <indexterm><primary>-XOverlappingInstances
3796 </primary></indexterm> 
3797 and <option>-XIncoherentInstances</option>
3798 <indexterm><primary>-XIncoherentInstances
3799 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
3800 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
3801 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
3802 <para>
3803 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
3804 it tries to match every instance declaration against the
3805 constraint,
3806 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
3807 these declarations:
3808 <programlisting>
3809   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
3810   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
3811   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
3812   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
3813 </programlisting>
3814 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
3815 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
3816 no account of the context of the instance declaration
3817 (<literal>context1</literal> etc).
3818 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
3819 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
3820 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
3821 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
3822 particular constraint matches more than one.
3823 </para>
3824
3825 <para>
3826 The <option>-XOverlappingInstances</option> flag instructs GHC to allow
3827 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
3828 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
3829 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
3830 most-specific match, the program is rejected.
3831 </para>
3832 <para>
3833 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
3834 <programlisting>
3835   f :: [b] -> [b]
3836   f x = ...
3837 </programlisting>
3838 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
3839 <literal>C Int [b]</literal>.  But
3840 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
3841 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
3842 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
3843 So GHC rejects the program.  
3844 (If you add the flag <option>-XIncoherentInstances</option>,
3845 GHC will instead pick (C), without complaining about 
3846 the problem of subsequent instantiations.)
3847 </para>
3848 <para>
3849 Notice that we gave a type signature to <literal>f</literal>, so GHC had to
3850 <emphasis>check</emphasis> that <literal>f</literal> has the specified type.  
3851 Suppose instead we do not give a type signature, asking GHC to <emphasis>infer</emphasis>
3852 it instead.  In this case, GHC will refrain from
3853 simplifying the constraint <literal>C Int [b]</literal> (for the same reason
3854 as before) but, rather than rejecting the program, it will infer the type
3855 <programlisting>
3856   f :: C Int [b] => [b] -> [b]
3857 </programlisting>
3858 That postpones the question of which instance to pick to the 
3859 call site for <literal>f</literal>
3860 by which time more is known about the type <literal>b</literal>.
3861 You can write this type signature yourself if you use the 
3862 <link linkend="flexible-contexts"><option>-XFlexibleContexts</option></link>
3863 flag.
3864 </para>
3865 <para>
3866 Exactly the same situation can arise in instance declarations themselves.  Suppose we have
3867 <programlisting>
3868   class Foo a where
3869      f :: a -> a
3870   instance Foo [b] where
3871      f x = ...
3872 </programlisting>
3873 and, as before, the constraint <literal>C Int [b]</literal> arises from <literal>f</literal>'s
3874 right hand side.  GHC will reject the instance, complaining as before that it does not know how to resolve
3875 the constraint <literal>C Int [b]</literal>, because it matches more than one instance
3876 declaration.  The solution is to postpone the choice by adding the constraint to the context
3877 of the instance declaration, thus:
3878 <programlisting>
3879   instance C Int [b] => Foo [b] where
3880      f x = ...
3881 </programlisting>
3882 (You need <link linkend="instance-rules"><option>-XFlexibleInstances</option></link> to do this.)
3883 </para>
3884 <para>
3885 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
3886 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
3887 presence or otherwise of the <option>-XOverlappingInstances</option> 
3888 and <option>-XIncoherentInstances</option> flags when that module is
3889 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
3890 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
3891 <itemizedlist>
3892 <listitem><para>
3893 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
3894 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
3895 <option>-XOverlappingInstances</option>.  The flag setting for the
3896 more-specific instance does not matter.
3897 </para></listitem>
3898 <listitem><para>
3899 Suppose an instance declaration does not match the constraint being looked up, but
3900 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
3901 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
3902 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
3903 <option>-XIncoherentInstances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
3904 check for that declaration.
3905 </para></listitem>
3906 </itemizedlist>
3907 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
3908 overlapping instances without the library client having to know.  
3909 </para>
3910 <para>
3911 If an instance declaration is compiled without
3912 <option>-XOverlappingInstances</option>,
3913 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
3914 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
3915 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
3916 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
3917 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
3918 are compiled, if the <option>-XOverlappingInstances</option> flag is
3919 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
3920 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
3921 </para>
3922 <para>The <option>-XIncoherentInstances</option> flag implies the
3923 <option>-XOverlappingInstances</option> flag, but not vice versa.
3924 </para>
3925 </sect3>
3926
3927
3928
3929 </sect2>
3930
3931 <sect2 id="overloaded-strings">
3932 <title>Overloaded string literals
3933 </title>
3934
3935 <para>
3936 GHC supports <emphasis>overloaded string literals</emphasis>.  Normally a
3937 string literal has type <literal>String</literal>, but with overloaded string
3938 literals enabled (with <literal>-XOverloadedStrings</literal>)
3939  a string literal has type <literal>(IsString a) => a</literal>.
3940 </para>
3941 <para>
3942 This means that the usual string syntax can be used, e.g., for packed strings
3943 and other variations of string like types.  String literals behave very much
3944 like integer literals, i.e., they can be used in both expressions and patterns.
3945 If used in a pattern the literal with be replaced by an equality test, in the same
3946 way as an integer literal is.
3947 </para>
3948 <para>
3949 The class <literal>IsString</literal> is defined as:
3950 <programlisting>
3951 class IsString a where
3952     fromString :: String -> a
3953 </programlisting>
3954 The only predefined instance is the obvious one to make strings work as usual:
3955 <programlisting>
3956 instance IsString [Char] where
3957     fromString cs = cs
3958 </programlisting>
3959 The class <literal>IsString</literal> is not in scope by default.  If you want to mention
3960 it explicitly (for example, to give an instance declaration for it), you can import it
3961 from module <literal>GHC.Exts</literal>.
3962 </para>
3963 <para>
3964 Haskell's defaulting mechanism is extended to cover string literals, when <option>-XOverloadedStrings</option> is specified.
3965 Specifically:
3966 <itemizedlist>
3967 <listitem><para>
3968 Each type in a default declaration must be an 
3969 instance of <literal>Num</literal> <emphasis>or</emphasis> of <literal>IsString</literal>.
3970 </para></listitem>
3971
3972 <listitem><para>
3973 The standard defaulting rule (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.3.4">Haskell Report, Section 4.3.4</ulink>)
3974 is extended thus: defaulting applies when all the unresolved constraints involve standard classes
3975 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>; and at least one is a numeric class
3976 <emphasis>or</emphasis> <literal>IsString</literal>.
3977 </para></listitem>
3978 </itemizedlist>
3979 </para>
3980 <para>
3981 A small example:
3982 <programlisting>
3983 module Main where
3984
3985 import GHC.Exts( IsString(..) )
3986
3987 newtype MyString = MyString String deriving (Eq, Show)
3988 instance IsString MyString where
3989     fromString = MyString
3990
3991 greet :: MyString -> MyString
3992 greet "hello" = "world"
3993 greet other = other
3994
3995 main = do
3996     print $ greet "hello"
3997     print $ greet "fool"
3998 </programlisting>
3999 </para>
4000 <para>
4001 Note that deriving <literal>Eq</literal> is necessary for the pattern matching
4002 to work since it gets translated into an equality comparison.
4003 </para>
4004 </sect2>
4005
4006 </sect1>
4007
4008 <sect1 id="type-families">
4009 <title>Type families</title>
4010
4011 <para>
4012   <firstterm>Indexed type families</firstterm> are a new GHC extension to
4013   facilitate type-level 
4014   programming. Type families are a generalisation of <firstterm>associated
4015   data types</firstterm> 
4016   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKPM05.html">Associated 
4017   Types with Class</ulink>&rdquo;, M. Chakravarty, G. Keller, S. Peyton Jones,
4018   and S. Marlow. In Proceedings of &ldquo;The 32nd Annual ACM SIGPLAN-SIGACT
4019      Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'05)&rdquo;, pages
4020   1-13, ACM Press, 2005) and <firstterm>associated type synonyms</firstterm>
4021   (&ldquo;<ulink url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/CKP05.html">Type  
4022   Associated Type Synonyms</ulink>&rdquo;. M. Chakravarty, G. Keller, and
4023   S. Peyton Jones. 
4024   In Proceedings of &ldquo;The Tenth ACM SIGPLAN International Conference on
4025   Functional Programming&rdquo;, ACM Press, pages 241-253, 2005).  Type families
4026   themselves are described in the paper &ldquo;<ulink 
4027   url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4028   Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;, T. Schrijvers,
4029   S. Peyton-Jones, 
4030   M. Chakravarty, and M. Sulzmann, in Proceedings of &ldquo;ICFP 2008: The
4031   13th ACM SIGPLAN International Conference on Functional
4032   Programming&rdquo;, ACM Press, pages 51-62, 2008. Type families
4033   essentially provide type-indexed data types and named functions on types,
4034   which are useful for generic programming and highly parameterised library
4035   interfaces as well as interfaces with enhanced static information, much like
4036   dependent types. They might also be regarded as an alternative to functional
4037   dependencies, but provide a more functional style of type-level programming
4038   than the relational style of functional dependencies. 
4039 </para>
4040 <para>
4041   Indexed type families, or type families for short, are type constructors that
4042   represent sets of types. Set members are denoted by supplying the type family
4043   constructor with type parameters, which are called <firstterm>type
4044   indices</firstterm>. The 
4045   difference between vanilla parametrised type constructors and family
4046   constructors is much like between parametrically polymorphic functions and
4047   (ad-hoc polymorphic) methods of type classes. Parametric polymorphic functions
4048   behave the same at all type instances, whereas class methods can change their
4049   behaviour in dependence on the class type parameters. Similarly, vanilla type
4050   constructors imply the same data representation for all type instances, but
4051   family constructors can have varying representation types for varying type
4052   indices. 
4053 </para>
4054 <para>
4055   Indexed type families come in two flavours: <firstterm>data
4056     families</firstterm> and <firstterm>type synonym 
4057     families</firstterm>. They are the indexed family variants of algebraic
4058   data types and type synonyms, respectively. The instances of data families
4059   can be data types and newtypes. 
4060 </para>
4061 <para>
4062   Type families are enabled by the flag <option>-XTypeFamilies</option>.
4063   Additional information on the use of type families in GHC is available on
4064   <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/GHC/Indexed_types">the
4065   Haskell wiki page on type families</ulink>.
4066 </para>
4067
4068 <sect2 id="data-families">
4069   <title>Data families</title>
4070
4071   <para>
4072     Data families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4073     toplevel 
4074     or (2) they can appear inside type classes (in which case they are known as
4075     associated types). The former is the more general variant, as it lacks the
4076     requirement for the type-indexes to coincide with the class
4077     parameters. However, the latter can lead to more clearly structured code and
4078     compiler warnings if some type instances were - possibly accidentally -
4079     omitted. In the following, we always discuss the general toplevel form first
4080     and then cover the additional constraints placed on associated types.
4081   </para>
4082
4083   <sect3 id="data-family-declarations"> 
4084     <title>Data family declarations</title>
4085
4086     <para>
4087       Indexed data families are introduced by a signature, such as 
4088 <programlisting>
4089 data family GMap k :: * -> *
4090 </programlisting>
4091       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4092       data declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4093       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is
4094 <programlisting>
4095 data family Array e
4096 </programlisting>
4097       Named arguments can also be given explicit kind signatures if needed.
4098       Just as with
4099       [http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/users_guide/gadt.html GADT
4100       declarations] named arguments are entirely optional, so that we can
4101       declare <literal>Array</literal> alternatively with 
4102 <programlisting>
4103 data family Array :: * -> *
4104 </programlisting>
4105     </para>
4106
4107     <sect4 id="assoc-data-family-decl">
4108       <title>Associated data family declarations</title>
4109       <para>
4110         When a data family is declared as part of a type class, we drop
4111         the <literal>family</literal> special.  The <literal>GMap</literal>
4112         declaration takes the following form 
4113 <programlisting>
4114 class GMapKey k where
4115   data GMap k :: * -> *
4116   ...
4117 </programlisting>
4118         In contrast to toplevel declarations, named arguments must be used for
4119         all type parameters that are to be used as type-indexes.  Moreover,
4120         the argument names must be class parameters.  Each class parameter may
4121         only be used at most once per associated type, but some may be omitted
4122         and they may be in an order other than in the class head.  Hence, the
4123         following contrived example is admissible: 
4124 <programlisting>
4125   class C a b c where
4126   data T c a :: *
4127 </programlisting>
4128       </para>
4129     </sect4>
4130   </sect3>
4131
4132   <sect3 id="data-instance-declarations"> 
4133     <title>Data instance declarations</title>
4134
4135     <para>
4136       Instance declarations of data and newtype families are very similar to
4137       standard data and newtype declarations.  The only two differences are
4138       that the keyword <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>
4139       is followed by <literal>instance</literal> and that some or all of the
4140       type arguments can be non-variable types, but may not contain forall
4141       types or type synonym families.  However, data families are generally
4142       allowed in type parameters, and type synonyms are allowed as long as
4143       they are fully applied and expand to a type that is itself admissible -
4144       exactly as this is required for occurrences of type synonyms in class
4145       instance parameters.  For example, the <literal>Either</literal>
4146       instance for <literal>GMap</literal> is 
4147 <programlisting>
4148 data instance GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4149 </programlisting>
4150       In this example, the declaration has only one variant.  In general, it
4151       can be any number.
4152     </para>
4153     <para>
4154       Data and newtype instance declarations are only permitted when an
4155       appropriate family declaration is in scope - just as a class instance declaratoin
4156       requires the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4157       declaration has to conform to the kind determined by its family
4158       declaration.  This implies that the number of parameters of an instance
4159       declaration matches the arity determined by the kind of the family.
4160     </para>
4161     <para>
4162       A data family instance declaration can use the full exprssiveness of
4163       ordinary <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declarations:
4164       <itemizedlist>
4165       <listitem><para> Although, a data family is <emphasis>introduced</emphasis> with
4166       the keyword "<literal>data</literal>", a data family <emphasis>instance</emphasis> can 
4167       use either <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal>. For example:
4168 <programlisting>
4169 data family T a
4170 data    instance T Int  = T1 Int | T2 Bool
4171 newtype instance T Char = TC Bool
4172 </programlisting>
4173       </para></listitem>
4174       <listitem><para> A <literal>data instance</literal> can use GADT syntax for the data constructors,
4175       and indeed can define a GADT.  For example:
4176 <programlisting>
4177 data family G a b
4178 data instance G [a] b where
4179    G1 :: c -> G [Int] b
4180    G2 :: G [a] Bool
4181 </programlisting>
4182       </para></listitem>
4183       <listitem><para> You can use a <literal>deriving</literal> clause on a
4184       <literal>data instance</literal> or <literal>newtype instance</literal>
4185       declaration.
4186       </para></listitem>
4187       </itemizedlist>
4188     </para>
4189
4190     <para>
4191       Even if type families are defined as toplevel declarations, functions
4192       that perform different computations for different family instances may still
4193       need to be defined as methods of type classes.  In particular, the
4194       following is not possible: 
4195 <programlisting>
4196 data family T a
4197 data instance T Int  = A
4198 data instance T Char = B
4199 foo :: T a -> Int
4200 foo A = 1             -- WRONG: These two equations together...
4201 foo B = 2             -- ...will produce a type error.
4202 </programlisting>
4203 Instead, you would have to write <literal>foo</literal> as a class operation, thus:
4204 <programlisting>
4205 class C a where 
4206   foo :: T a -> Int
4207 instance Foo Int where
4208   foo A = 1
4209 instance Foo Char where
4210   foo B = 2
4211 </programlisting>
4212       (Given the functionality provided by GADTs (Generalised Algebraic Data
4213       Types), it might seem as if a definition, such as the above, should be
4214       feasible.  However, type families are - in contrast to GADTs - are
4215       <emphasis>open;</emphasis> i.e., new instances can always be added,
4216       possibly in other 
4217       modules.  Supporting pattern matching across different data instances
4218       would require a form of extensible case construct.)
4219     </para>
4220
4221     <sect4 id="assoc-data-inst">
4222       <title>Associated data instances</title>
4223       <para>
4224         When an associated data family instance is declared within a type
4225         class instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the
4226         family instance.  So, the <literal>Either</literal> instance
4227         for <literal>GMap</literal> becomes: 
4228 <programlisting>
4229 instance (GMapKey a, GMapKey b) => GMapKey (Either a b) where
4230   data GMap (Either a b) v = GMapEither (GMap a v) (GMap b v)
4231   ...
4232 </programlisting>
4233         The most important point about associated family instances is that the
4234         type indexes corresponding to class parameters must be identical to
4235         the type given in the instance head; here this is the first argument
4236         of <literal>GMap</literal>, namely <literal>Either a b</literal>,
4237         which coincides with the only class parameter.  Any parameters to the
4238         family constructor that do not correspond to class parameters, need to
4239         be variables in every instance; here this is the
4240         variable <literal>v</literal>. 
4241       </para>
4242       <para>
4243         Instances for an associated family can only appear as part of
4244         instances declarations of the class in which the family was declared -
4245         just as with the equations of the methods of a class.  Also in
4246         correspondence to how methods are handled, declarations of associated
4247         types can be omitted in class instances.  If an associated family
4248         instance is omitted, the corresponding instance type is not inhabited;
4249         i.e., only diverging expressions, such
4250         as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4251       </para>
4252     </sect4>
4253
4254     <sect4 id="scoping-class-params">
4255       <title>Scoping of class parameters</title>
4256       <para>
4257         In the case of multi-parameter type classes, the visibility of class
4258         parameters in the right-hand side of associated family instances
4259         depends <emphasis>solely</emphasis> on the parameters of the data
4260         family.  As an example, consider the simple class declaration 
4261 <programlisting>
4262 class C a b where
4263   data T a
4264 </programlisting>
4265         Only one of the two class parameters is a parameter to the data
4266         family.  Hence, the following instance declaration is invalid: 
4267 <programlisting>
4268 instance C [c] d where
4269   data T [c] = MkT (c, d)    -- WRONG!!  'd' is not in scope
4270 </programlisting>
4271         Here, the right-hand side of the data instance mentions the type
4272         variable <literal>d</literal> that does not occur in its left-hand
4273         side.  We cannot admit such data instances as they would compromise
4274         type safety. 
4275       </para>
4276     </sect4>
4277
4278     <sect4 id="family-class-inst">
4279       <title>Type class instances of family instances</title>
4280       <para>
4281         Type class instances of instances of data families can be defined as
4282         usual, and in particular data instance declarations can
4283         have <literal>deriving</literal> clauses.  For example, we can write 
4284 <programlisting>
4285 data GMap () v = GMapUnit (Maybe v)
4286                deriving Show
4287 </programlisting>
4288         which implicitly defines an instance of the form
4289 <programlisting>
4290 instance Show v => Show (GMap () v) where ...
4291 </programlisting>
4292       </para>
4293       <para>
4294         Note that class instances are always for
4295         particular <emphasis>instances</emphasis> of a data family and never
4296         for an entire family as a whole.  This is for essentially the same
4297         reasons that we cannot define a toplevel function that performs
4298         pattern matching on the data constructors
4299         of <emphasis>different</emphasis> instances of a single type family.
4300         It would require a form of extensible case construct. 
4301       </para>
4302     </sect4>
4303
4304     <sect4 id="data-family-overlap">
4305       <title>Overlap of data instances</title>
4306       <para>
4307         The instance declarations of a data family used in a single program
4308         may not overlap at all, independent of whether they are associated or
4309         not.  In contrast to type class instances, this is not only a matter
4310         of consistency, but one of type safety. 
4311       </para>
4312     </sect4>
4313
4314   </sect3>
4315
4316   <sect3 id="data-family-import-export">
4317     <title>Import and export</title>
4318
4319     <para>
4320       The association of data constructors with type families is more dynamic
4321       than that is the case with standard data and newtype declarations.  In
4322       the standard case, the notation <literal>T(..)</literal> in an import or
4323       export list denotes the type constructor and all the data constructors
4324       introduced in its declaration.  However, a family declaration never
4325       introduces any data constructors; instead, data constructors are
4326       introduced by family instances.  As a result, which data constructors
4327       are associated with a type family depends on the currently visible
4328       instance declarations for that family.  Consequently, an import or
4329       export item of the form <literal>T(..)</literal> denotes the family
4330       constructor and all currently visible data constructors - in the case of
4331       an export item, these may be either imported or defined in the current
4332       module.  The treatment of import and export items that explicitly list
4333       data constructors, such as <literal>GMap(GMapEither)</literal>, is
4334       analogous. 
4335     </para>
4336
4337     <sect4 id="data-family-impexp-assoc">
4338       <title>Associated families</title>
4339       <para>
4340         As expected, an import or export item of the
4341         form <literal>C(..)</literal> denotes all of the class' methods and
4342         associated types.  However, when associated types are explicitly
4343         listed as subitems of a class, we need some new syntax, as uppercase
4344         identifiers as subitems are usually data constructors, not type
4345         constructors.  To clarify that we denote types here, each associated
4346         type name needs to be prefixed by the keyword <literal>type</literal>.
4347         So for example, when explicitly listing the components of
4348         the <literal>GMapKey</literal> class, we write <literal>GMapKey(type
4349         GMap, empty, lookup, insert)</literal>. 
4350       </para>
4351     </sect4>
4352
4353     <sect4 id="data-family-impexp-examples">
4354       <title>Examples</title>
4355       <para>
4356         Assuming our running <literal>GMapKey</literal> class example, let us
4357         look at some export lists and their meaning: 
4358         <itemizedlist>
4359           <listitem>
4360             <para><literal>module GMap (GMapKey) where...</literal>: Exports
4361               just the class name.</para>
4362           </listitem>
4363           <listitem>
4364             <para><literal>module GMap (GMapKey(..)) where...</literal>:
4365               Exports the class, the associated type <literal>GMap</literal>
4366               and the member
4367               functions <literal>empty</literal>, <literal>lookup</literal>,
4368               and <literal>insert</literal>.  None of the data constructors is 
4369               exported.</para>
4370           </listitem> 
4371           <listitem>
4372             <para><literal>module GMap (GMapKey(..), GMap(..))
4373                 where...</literal>: As before, but also exports all the data
4374               constructors <literal>GMapInt</literal>, 
4375               <literal>GMapChar</literal>,  
4376               <literal>GMapUnit</literal>, <literal>GMapPair</literal>,
4377               and <literal>GMapUnit</literal>.</para>
4378           </listitem>
4379           <listitem>
4380             <para><literal>module GMap (GMapKey(empty, lookup, insert),
4381             GMap(..)) where...</literal>: As before.</para>
4382           </listitem>
4383           <listitem>
4384             <para><literal>module GMap (GMapKey, empty, lookup, insert, GMap(..))
4385                 where...</literal>: As before.</para>
4386           </listitem>
4387         </itemizedlist>
4388       </para>
4389       <para>
4390         Finally, you can write <literal>GMapKey(type GMap)</literal> to denote
4391         both the class <literal>GMapKey</literal> as well as its associated
4392         type <literal>GMap</literal>.  However, you cannot
4393         write <literal>GMapKey(type GMap(..))</literal> &mdash; i.e.,
4394         sub-component specifications cannot be nested.  To
4395         specify <literal>GMap</literal>'s data constructors, you have to list
4396         it separately. 
4397       </para>
4398     </sect4>
4399
4400     <sect4 id="data-family-impexp-instances">
4401       <title>Instances</title>
4402       <para>
4403         Family instances are implicitly exported, just like class instances.
4404         However, this applies only to the heads of instances, not to the data
4405         constructors an instance defines. 
4406       </para>
4407     </sect4>
4408
4409   </sect3>
4410
4411 </sect2>
4412
4413 <sect2 id="synonym-families">
4414   <title>Synonym families</title>
4415
4416   <para>
4417     Type families appear in two flavours: (1) they can be defined on the
4418     toplevel or (2) they can appear inside type classes (in which case they
4419     are known as associated type synonyms).  The former is the more general
4420     variant, as it lacks the requirement for the type-indexes to coincide with
4421     the class parameters.  However, the latter can lead to more clearly
4422     structured code and compiler warnings if some type instances were -
4423     possibly accidentally - omitted.  In the following, we always discuss the
4424     general toplevel form first and then cover the additional constraints
4425     placed on associated types.
4426   </para>
4427
4428   <sect3 id="type-family-declarations">
4429     <title>Type family declarations</title>
4430
4431     <para>
4432       Indexed type families are introduced by a signature, such as 
4433 <programlisting>
4434 type family Elem c :: *
4435 </programlisting>
4436       The special <literal>family</literal> distinguishes family from standard
4437       type declarations.  The result kind annotation is optional and, as
4438       usual, defaults to <literal>*</literal> if omitted.  An example is 
4439 <programlisting>
4440 type family Elem c
4441 </programlisting>
4442       Parameters can also be given explicit kind signatures if needed.  We
4443       call the number of parameters in a type family declaration, the family's
4444       arity, and all applications of a type family must be fully saturated
4445       w.r.t. to that arity.  This requirement is unlike ordinary type synonyms
4446       and it implies that the kind of a type family is not sufficient to
4447       determine a family's arity, and hence in general, also insufficient to
4448       determine whether a type family application is well formed.  As an
4449       example, consider the following declaration: 
4450 <programlisting>
4451 type family F a b :: * -> *   -- F's arity is 2, 
4452                               -- although its overall kind is * -> * -> * -> *
4453 </programlisting>
4454       Given this declaration the following are examples of well-formed and
4455       malformed types: 
4456 <programlisting>
4457 F Char [Int]       -- OK!  Kind: * -> *
4458 F Char [Int] Bool  -- OK!  Kind: *
4459 F IO Bool          -- WRONG: kind mismatch in the first argument
4460 F Bool             -- WRONG: unsaturated application
4461 </programlisting>
4462       </para>
4463
4464     <sect4 id="assoc-type-family-decl">
4465       <title>Associated type family declarations</title>
4466       <para>
4467         When a type family is declared as part of a type class, we drop
4468         the <literal>family</literal> special.  The <literal>Elem</literal>
4469         declaration takes the following form 
4470 <programlisting>
4471 class Collects ce where
4472   type Elem ce :: *
4473   ...
4474 </programlisting>
4475         The argument names of the type family must be class parameters.  Each
4476         class parameter may only be used at most once per associated type, but
4477         some may be omitted and they may be in an order other than in the
4478         class head.  Hence, the following contrived example is admissible: 
4479 <programlisting>
4480 class C a b c where
4481   type T c a :: *
4482 </programlisting>
4483         These rules are exactly as for associated data families.
4484       </para>
4485     </sect4>
4486   </sect3>
4487
4488   <sect3 id="type-instance-declarations">
4489     <title>Type instance declarations</title>
4490     <para>
4491       Instance declarations of type families are very similar to standard type
4492       synonym declarations.  The only two differences are that the
4493       keyword <literal>type</literal> is followed
4494       by <literal>instance</literal> and that some or all of the type
4495       arguments can be non-variable types, but may not contain forall types or
4496       type synonym families. However, data families are generally allowed, and
4497       type synonyms are allowed as long as they are fully applied and expand
4498       to a type that is admissible - these are the exact same requirements as
4499       for data instances.  For example, the <literal>[e]</literal> instance
4500       for <literal>Elem</literal> is 
4501 <programlisting>
4502 type instance Elem [e] = e
4503 </programlisting>
4504     </para>
4505     <para>
4506       Type family instance declarations are only legitimate when an
4507       appropriate family declaration is in scope - just like class instances
4508       require the class declaration to be visible.  Moreover, each instance
4509       declaration has to conform to the kind determined by its family
4510       declaration, and the number of type parameters in an instance
4511       declaration must match the number of type parameters in the family
4512       declaration.   Finally, the right-hand side of a type instance must be a
4513       monotype (i.e., it may not include foralls) and after the expansion of
4514       all saturated vanilla type synonyms, no synonyms, except family synonyms
4515       may remain.  Here are some examples of admissible and illegal type
4516       instances: 
4517 <programlisting>
4518 type family F a :: *
4519 type instance F [Int]              = Int         -- OK!
4520 type instance F String             = Char        -- OK!
4521 type instance F (F a)              = a           -- WRONG: type parameter mentions a type family
4522 type instance F (forall a. (a, b)) = b           -- WRONG: a forall type appears in a type parameter
4523 type instance F Float              = forall a.a  -- WRONG: right-hand side may not be a forall type
4524
4525 type family G a b :: * -> *
4526 type instance G Int            = (,)     -- WRONG: must be two type parameters
4527 type instance G Int Char Float = Double  -- WRONG: must be two type parameters
4528 </programlisting>
4529     </para>
4530
4531     <sect4 id="assoc-type-instance">
4532       <title>Associated type instance declarations</title>
4533       <para>
4534         When an associated family instance is declared within a type class
4535         instance, we drop the <literal>instance</literal> keyword in the family
4536         instance.  So, the <literal>[e]</literal> instance
4537         for <literal>Elem</literal> becomes: 
4538 <programlisting>
4539 instance (Eq (Elem [e])) => Collects ([e]) where
4540   type Elem [e] = e
4541   ...
4542 </programlisting>
4543         The most important point about associated family instances is that the
4544         type indexes corresponding to class parameters must be identical to the
4545         type given in the instance head; here this is <literal>[e]</literal>,
4546         which coincides with the only class parameter. 
4547       </para>
4548       <para>
4549         Instances for an associated family can only appear as part of  instances
4550         declarations of the class in which the family was declared - just as
4551         with the equations of the methods of a class.  Also in correspondence to
4552         how methods are handled, declarations of associated types can be omitted
4553         in class instances.  If an associated family instance is omitted, the
4554         corresponding instance type is not inhabited; i.e., only diverging
4555         expressions, such as <literal>undefined</literal>, can assume the type. 
4556       </para>
4557     </sect4>
4558
4559     <sect4 id="type-family-overlap">
4560       <title>Overlap of type synonym instances</title>
4561       <para>
4562         The instance declarations of a type family used in a single program
4563         may only overlap if the right-hand sides of the overlapping instances
4564         coincide for the overlapping types.  More formally, two instance
4565         declarations overlap if there is a substitution that makes the
4566         left-hand sides of the instances syntactically the same.  Whenever
4567         that is the case, the right-hand sides of the instances must also be
4568         syntactically equal under the same substitution.  This condition is
4569         independent of whether the type family is associated or not, and it is
4570         not only a matter of consistency, but one of type safety. 
4571       </para>
4572       <para>
4573         Here are two example to illustrate the condition under which overlap
4574         is permitted. 
4575 <programlisting>
4576 type instance F (a, Int) = [a]
4577 type instance F (Int, b) = [b]   -- overlap permitted
4578
4579 type instance G (a, Int)  = [a]
4580 type instance G (Char, a) = [a]  -- ILLEGAL overlap, as [Char] /= [Int]
4581 </programlisting>
4582       </para>
4583     </sect4>
4584
4585     <sect4 id="type-family-decidability">
4586       <title>Decidability of type synonym instances</title>
4587       <para>
4588         In order to guarantee that type inference in the presence of type
4589         families decidable, we need to place a number of additional
4590         restrictions on the formation of type instance declarations (c.f.,
4591         Definition 5 (Relaxed Conditions) of &ldquo;<ulink 
4592         url="http://www.cse.unsw.edu.au/~chak/papers/SPCS08.html">Type
4593           Checking with Open Type Functions</ulink>&rdquo;).  Instance
4594           declarations have the general form 
4595 <programlisting>
4596 type instance F t1 .. tn = t
4597 </programlisting>
4598         where we require that for every type family application <literal>(G s1
4599         .. sm)</literal> in <literal>t</literal>,  
4600         <orderedlist>
4601           <listitem>
4602             <para><literal>s1 .. sm</literal> do not contain any type family
4603             constructors,</para>
4604           </listitem>
4605           <listitem>
4606             <para>the total number of symbols (data type constructors and type
4607             variables) in <literal>s1 .. sm</literal> is strictly smaller than
4608             in <literal>t1 .. tn</literal>, and</para> 
4609           </listitem>
4610           <listitem>
4611             <para>for every type
4612             variable <literal>a</literal>, <literal>a</literal> occurs
4613             in <literal>s1 .. sm</literal> at most as often as in <literal>t1
4614             .. tn</literal>.</para>
4615           </listitem>
4616         </orderedlist>
4617         These restrictions are easily verified and ensure termination of type
4618         inference.  However, they are not sufficient to guarantee completeness
4619         of type inference in the presence of, so called, ''loopy equalities'',
4620         such as <literal>a ~ [F a]</literal>, where a recursive occurrence of
4621         a type variable is underneath a family application and data
4622         constructor application - see the above mentioned paper for details.   
4623       </para>
4624       <para>
4625         If the option <option>-XUndecidableInstances</option> is passed to the
4626         compiler, the above restrictions are not enforced and it is on the
4627         programmer to ensure termination of the normalisation of type families
4628         during type inference. 
4629       </para>
4630     </sect4>
4631   </sect3>
4632
4633   <sect3 id-="equality-constraints">
4634     <title>Equality constraints</title>
4635     <para>
4636       Type context can include equality constraints of the form <literal>t1 ~
4637       t2</literal>, which denote that the types <literal>t1</literal>
4638       and <literal>t2</literal> need to be the same.  In the presence of type
4639       families, whether two types are equal cannot generally be decided
4640       locally.  Hence, the contexts of function signatures may include
4641       equality constraints, as in the following example: 
4642 <programlisting>
4643 sumCollects :: (Collects c1, Collects c2, Elem c1 ~ Elem c2) => c1 -> c2 -> c2
4644 </programlisting>
4645       where we require that the element type of <literal>c1</literal>
4646       and <literal>c2</literal> are the same.  In general, the
4647       types <literal>t1</literal> and <literal>t2</literal> of an equality
4648       constraint may be arbitrary monotypes; i.e., they may not contain any
4649       quantifiers, independent of whether higher-rank types are otherwise
4650       enabled. 
4651     </para>
4652     <para>
4653       Equality constraints can also appear in class and instance contexts.
4654       The former enable a simple translation of programs using functional
4655       dependencies into programs using family synonyms instead.  The general
4656       idea is to rewrite a class declaration of the form 
4657 <programlisting>
4658 class C a b | a -> b
4659 </programlisting>
4660       to
4661 <programlisting>
4662 class (F a ~ b) => C a b where
4663   type F a
4664 </programlisting>
4665       That is, we represent every functional dependency (FD) <literal>a1 .. an
4666       -> b</literal> by an FD type family <literal>F a1 .. an</literal> and a
4667       superclass context equality <literal>F a1 .. an ~ b</literal>,
4668       essentially giving a name to the functional dependency.  In class
4669       instances, we define the type instances of FD families in accordance
4670       with the class head.  Method signatures are not affected by that
4671       process. 
4672     </para>
4673     <para>
4674       NB: Equalities in superclass contexts are not fully implemented in
4675       GHC 6.10. 
4676     </para>
4677   </sect3>
4678
4679   <sect3 id-="ty-fams-in-instances">
4680     <title>Type families and instance declarations</title>
4681     <para>Type families require us to extend the rules for 
4682       the form of instance heads, which are given 
4683       in <xref linkend="flexible-instance-head"/>.
4684       Specifically:
4685 <itemizedlist>
4686  <listitem><para>Data type families may appear in an instance head</para></listitem>
4687  <listitem><para>Type synonym families may not appear (at all) in an instance head</para></listitem>
4688 </itemizedlist>
4689 The reason for the latter restriction is that there is no way to check for. Consider
4690 <programlisting>
4691    type family F a
4692    type instance F Bool = Int
4693
4694    class C a
4695
4696    instance C Int
4697    instance C (F a)
4698 </programlisting>
4699 Now a constraint <literal>(C (F Bool))</literal> would match both instances.
4700 The situation is especially bad because the type instance for <literal>F Bool</literal>
4701 might be in another module, or even in a module that is not yet written.
4702 </para>
4703 </sect3>
4704 </sect2>
4705
4706 </sect1>
4707
4708 <sect1 id="other-type-extensions">
4709 <title>Other type system extensions</title>
4710
4711 <sect2 id="type-restrictions">
4712 <title>Type signatures</title>
4713
4714 <sect3 id="flexible-contexts"><title>The context of a type signature</title>
4715 <para>
4716 The <option>-XFlexibleContexts</option> flag lifts the Haskell 98 restriction
4717 that the type-class constraints in a type signature must have the 
4718 form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
4719 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>. 
4720 With <option>-XFlexibleContexts</option>
4721 these type signatures are perfectly OK
4722 <programlisting>
4723   g :: Eq [a] => ...
4724   g :: Ord (T a ()) => ...
4725 </programlisting>
4726 </para>
4727 <para>
4728 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
4729 Consider the type:
4730
4731 <programlisting>
4732   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
4733 </programlisting>
4734
4735 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
4736 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
4737 explicit source-language type signature are universally quantified,
4738 except for the class type variables in a class declaration.  However,
4739 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
4740 </para>
4741
4742 <para>
4743
4744 <orderedlist>
4745 <listitem>
4746
4747 <para>
4748  <emphasis>Each universally quantified type variable
4749 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
4750
4751 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it appears
4752 in the same constraint as either a type variable free in
4753 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
4754 A value with a type that does not obey 
4755 this reachability restriction cannot be used without introducing
4756 ambiguity; that is why the type is rejected.
4757 Here, for example, is an illegal type:
4758
4759
4760 <programlisting>
4761   forall a. Eq a => Int
4762 </programlisting>
4763
4764
4765 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
4766 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
4767 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
4768 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
4769 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
4770 get any more information about <literal>tv</literal>.
4771 </para>
4772 <para>
4773 Note
4774 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
4775 functionally dependent on a type variable free in
4776 <literal>type</literal> (see <xref
4777 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
4778 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
4779 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
4780 For example, consider:
4781 <programlisting>
4782   class C a b | a -> b where ...
4783   class C a b => D a b where ...
4784   f :: forall a b. D a b => a -> a
4785 </programlisting>
4786 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
4787 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
4788 </para>
4789 </listitem>
4790 <listitem>
4791
4792 <para>
4793  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
4794 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
4795
4796 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
4797 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
4798
4799
4800 <programlisting>
4801   forall a. C a b => burble
4802 </programlisting>
4803
4804
4805 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
4806 mention <literal>a</literal>:
4807
4808
4809 <programlisting>
4810   forall a. Eq b => burble
4811 </programlisting>
4812
4813
4814 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
4815 excluded types are never useful or necessary (because the offending
4816 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
4817 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
4818 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
4819 territory free in case we need it later.
4820
4821 </para>
4822 </listitem>
4823
4824 </orderedlist>
4825
4826 </para>
4827 </sect3>
4828
4829
4830
4831 </sect2>
4832
4833 <sect2 id="implicit-parameters">
4834 <title>Implicit parameters</title>
4835
4836 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
4837 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
4838 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
4839 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
4840 Boston, Jan 2000.
4841 </para>
4842
4843 <para>(Most of the following, still rather incomplete, documentation is
4844 due to Jeff Lewis.)</para>
4845
4846 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
4847 <option>-XImplicitParams</option>.</para>
4848
4849 <para>
4850 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
4851 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
4852 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
4853 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
4854 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
4855 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
4856 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
4857 only support static scoping of variables.
4858 </para>
4859 <para>
4860 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
4861 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
4862 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
4863 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
4864 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
4865 of type <literal>t'</literal>". For
4866 example, the following expresses the type of a sort function,
4867 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
4868 <programlisting>
4869   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4870 </programlisting>
4871 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
4872 </para>
4873 <para>
4874 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
4875 where <literal>x</literal> is
4876 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
4877 Use of this construct also introduces a new
4878 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
4879 For example, the following definition
4880 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
4881 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
4882 <programlisting>
4883   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
4884
4885   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
4886   sort    = sortBy ?cmp
4887 </programlisting>
4888 </para>
4889
4890 <sect3>
4891 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
4892 <para>
4893 Dynamic binding constraints behave just like other type class
4894 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
4895 function is used, its implicit parameters are inherited by the
4896 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
4897 to pick out the least value in a list:
4898 <programlisting>
4899   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
4900   least xs = head (sort xs)
4901 </programlisting>
4902 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
4903 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
4904 parameters, the default is that parameters must always be explicit
4905 propagated. With implicit parameters, the default is to always
4906 propagate them.
4907 </para>
4908 <para>
4909 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
4910 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
4911 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
4912 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
4913 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
4914 class constraints.
4915 </para>
4916
4917 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
4918 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
4919 <programlisting>
4920   class (?x::Int) => C a where ...
4921   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
4922 </programlisting>
4923 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
4924 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
4925 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
4926 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
4927 <para>
4928 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
4929 <programlisting>
4930    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
4931    f n = n + length ?x
4932
4933    g :: (Read a, Show a) => String -> String
4934    g s = show (read s)
4935 </programlisting>
4936 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
4937 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
4938 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
4939 </para>
4940 </sect3>
4941
4942 <sect3>
4943 <title>Implicit-parameter bindings</title>
4944
4945 <para>
4946 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
4947 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
4948 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
4949 <literal>cmp</literal>.
4950 <programlisting>
4951   min :: [a] -> a
4952   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
4953 </programlisting>
4954 </para>
4955 <para>
4956 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
4957 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
4958 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
4959 or a <literal>where</literal> clause.
4960 Note the following points:
4961 <itemizedlist>
4962 <listitem><para>
4963 An implicit-parameter binding group must be a
4964 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
4965 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
4966 neither polymorphic or recursive.  
4967 </para></listitem>
4968 <listitem><para>
4969 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
4970 single <literal>let</literal>
4971 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
4972 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
4973 </para></listitem>
4974
4975 <listitem><para>
4976 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
4977 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
4978 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
4979 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
4980 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
4981 the meaning of the program.
4982 For example, consider:
4983 <programlisting>
4984   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
4985 </programlisting>
4986 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
4987 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
4988 <programlisting>
4989   f :: (?x::Int) => Int -> Int
4990 </programlisting>
4991 </para></listitem>
4992 </itemizedlist>
4993 </para>
4994
4995 </sect3>
4996
4997 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
4998
4999 <para>
5000 Consider these two definitions:
5001 <programlisting>
5002   len1 :: [a] -> Int
5003   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
5004
5005   len_acc1 [] = ?acc
5006   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
5007
5008   ------------
5009
5010   len2 :: [a] -> Int
5011   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
5012
5013   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
5014   len_acc2 [] = ?acc
5015   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
5016 </programlisting>
5017 The only difference between the two groups is that in the second group
5018 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
5019 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
5020 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
5021 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
5022 has a type signature, the recursive call is made to the
5023 <emphasis>polymorphic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
5024 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
5025 <programlisting>
5026   Prog> len1 "hello"
5027   0
5028   Prog> len2 "hello"
5029   5
5030 </programlisting>
5031 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
5032 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
5033 </para>
5034 </sect3>
5035
5036 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
5037
5038 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
5039 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
5040 <programlisting>
5041  f :: Int -> Int
5042   f v = let ?x = 0     in
5043         let y = ?x + v in
5044         let ?x = 5     in
5045         y
5046 </programlisting>
5047 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
5048 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
5049 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
5050 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
5051 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
5052 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
5053 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
5054 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
5055 <literal>14</literal>.
5056 </para>
5057 </sect3>
5058 </sect2>
5059
5060     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
5061
5062     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
5063     them from the 6.6 user manual
5064
5065 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
5066 <title>Linear implicit parameters</title>
5067 <para>
5068 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
5069 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
5070 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
5071 </para>
5072 <itemizedlist>
5073 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
5074 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
5075 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
5076 </itemizedlist>
5077
5078 <para>
5079 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
5080 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
5081 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
5082 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
5083 (The '/' in the '%' suggests the split!)
5084 </para>
5085 <para>
5086 For example:
5087 <programlisting>
5088     import GHC.Exts( Splittable )
5089
5090     data NameSupply = ...
5091     
5092     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
5093     newName :: NameSupply -> Name
5094
5095     instance Splittable NameSupply where
5096         split = splitNS
5097
5098
5099     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5100     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5101                     where
5102                       x'   = newName %ns
5103                       env' = extend env x x'
5104     ...more equations for f...
5105 </programlisting>
5106 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
5107 <itemizedlist>
5108 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
5109 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
5110 </itemizedlist>
5111 </para>
5112 <para>
5113 So the translation done by the type checker makes
5114 the parameter explicit:
5115 <programlisting>
5116     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
5117     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
5118                        where
5119                          (ns1,ns2) = splitNS ns
5120                          x' = newName ns2
5121                          env = extend env x x'
5122 </programlisting>
5123 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
5124 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
5125 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
5126 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
5127 <programlisting>
5128         class Splittable a where
5129           split :: a -> (a,a)
5130 </programlisting>
5131 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
5132 split for name supplies.  But we can simply write
5133 <programlisting>
5134         g x = (x, %ns, %ns)
5135 </programlisting>
5136 and GHC will infer
5137 <programlisting>
5138         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
5139 </programlisting>
5140 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
5141 <literal>GHC.Exts</literal>.
5142 </para>
5143 <para>
5144 Other points:
5145 <itemizedlist>
5146 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
5147 are entirely distinct implicit parameters: you 
5148   can use them together and they won't interfere with each other. </para>
5149 </listitem>
5150
5151 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
5152
5153 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
5154   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
5155 </itemizedlist>
5156 </para>
5157
5158 <sect3><title>Warnings</title>
5159
5160 <para>
5161 The monomorphism restriction is even more important than usual.
5162 Consider the example above:
5163 <programlisting>
5164     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5165     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
5166                     where
5167                       x'   = newName %ns
5168                       env' = extend env x x'
5169 </programlisting>
5170 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
5171 usually a harmless thing to do, we get:
5172 <programlisting>
5173     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
5174     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
5175                     where
5176                       env' = extend env x (newName %ns)
5177 </programlisting>
5178 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
5179 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
5180 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
5181 the beta rule.
5182 </para>
5183 <para>
5184 Well, this is an experimental change.  With implicit
5185 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
5186 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
5187 Haskell programs without knowing their typing.
5188 </para>
5189
5190 </sect3>
5191
5192 <sect3><title>Recursive functions</title>
5193 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
5194 Consider
5195 <programlisting>
5196         foo :: %x::T => Int -> [Int]
5197         foo 0 = []
5198         foo n = %x : foo (n-1)
5199 </programlisting>
5200 where T is some type in class Splittable.</para>
5201 <para>
5202 Do you get a list of all the same T's or all different T's
5203 (assuming that split gives two distinct T's back)?
5204 </para><para>
5205 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
5206 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
5207 translated term, where the implicit param is made explicit:
5208 <programlisting>
5209         foo x 0 = []
5210         foo x n = let (x1,x2) = split x
5211                   in x1 : foo x2 (n-1)
5212 </programlisting>
5213 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
5214 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
5215 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
5216 work.  So the translation becomes
5217 <programlisting>
5218         foo x = let
5219                   foom 0 = []
5220                   foom n = x : foom (n-1)
5221                 in
5222                 foom
5223 </programlisting>
5224 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
5225 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
5226 Yikes!
5227 </para><para>
5228 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
5229 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
5230 </para>
5231 </sect3>
5232
5233 </sect2>
5234
5235 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
5236
5237 <sect2 id="kinding">
5238 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
5239
5240 <para>
5241 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
5242 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
5243 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
5244 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
5245 John Hughes had to define the data type:
5246 <screen>
5247      data Set cxt a = Set [a]
5248                     | Unused (cxt a -> ())
5249 </screen>
5250 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
5251 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
5252 </para>
5253 <para>
5254 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
5255 a type variable is explicitly bound, with the flag <option>-XKindSignatures</option>.
5256 </para>
5257 <para>
5258 This flag enables kind signatures in the following places:
5259 <itemizedlist>
5260 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
5261 <screen>
5262   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
5263 </screen></para></listitem>
5264 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
5265 <screen>
5266   type T (f :: * -> *) = f Int
5267 </screen></para></listitem>
5268 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
5269 <screen>
5270   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
5271 </screen></para></listitem>
5272 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
5273 <screen>
5274   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
5275 </screen></para></listitem>
5276 </itemizedlist>
5277 </para>
5278
5279 <para>
5280 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
5281 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
5282 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
5283 single lexeme in Haskell.
5284 </para>
5285
5286 <para>
5287 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
5288 as well.  Thus:
5289 <screen>
5290    f :: (Int :: *) -> Int
5291    g :: forall a. a -> (a :: *)
5292 </screen>
5293 The syntax is
5294 <screen>
5295    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
5296 </screen>
5297 The parentheses are required.
5298 </para>
5299 </sect2>
5300
5301
5302 <sect2 id="universal-quantification">
5303 <title>Arbitrary-rank polymorphism
5304 </title>
5305
5306 <para>
5307 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
5308 allows us to say exactly what this means.  For example:
5309 </para>
5310 <para>
5311 <programlisting>
5312         g :: b -> b
5313 </programlisting>
5314 means this:
5315 <programlisting>
5316         g :: forall b. (b -> b)
5317 </programlisting>
5318 The two are treated identically.
5319 </para>
5320
5321 <para>
5322 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
5323 explicit universal quantification in
5324 types. 
5325 For example, all the following types are legal:
5326 <programlisting>
5327     f1 :: forall a b. a -> b -> a
5328     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
5329
5330     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
5331     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
5332
5333     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
5334
5335     f4 :: Int -> (forall a. a -> a)
5336 </programlisting>
5337 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
5338 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
5339 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
5340 is implicitly added by Haskell.
5341 </para>
5342 <para>
5343 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
5344 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
5345 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
5346 </para>
5347 <para>
5348 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
5349 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
5350 </para>
5351 <para>
5352 GHC has three flags to control higher-rank types:
5353 <itemizedlist>
5354 <listitem><para>
5355  <option>-XPolymorphicComponents</option>: data constructors (only) can have polymorphic argument types.
5356 </para></listitem>
5357 <listitem><para>
5358  <option>-XRank2Types</option>: any function (including data constructors) can have a rank-2 type.
5359 </para></listitem>
5360 <listitem><para>
5361  <option>-XRankNTypes</option>: any function (including data constructors) can have an arbitrary-rank type.
5362 That is,  you can nest <literal>forall</literal>s
5363 arbitrarily deep in function arrows.
5364 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
5365 including an operational type class context, is legal:
5366 <itemizedlist>
5367 <listitem> <para> On the left or right (see <literal>f4</literal>, for example)
5368 of a function arrow </para> </listitem>
5369 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
5370 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
5371 field type signatures.</para> </listitem>
5372 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
5373 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
5374 </itemizedlist>
5375 </para></listitem>
5376 </itemizedlist>
5377 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
5378 a type variable any more!
5379 </para>
5380
5381
5382 <sect3 id="univ">
5383 <title>Examples
5384 </title>
5385
5386 <para>
5387 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
5388 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
5389 </para>
5390
5391 <para>
5392
5393 <programlisting>
5394 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
5395
5396 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
5397                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
5398                         }
5399
5400 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
5401 </programlisting>
5402
5403 </para>
5404
5405 <para>
5406 The constructors have rank-2 types:
5407 </para>
5408
5409 <para>
5410
5411 <programlisting>
5412 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
5413 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
5414                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
5415                   -> MonadT m
5416 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
5417 </programlisting>
5418
5419 </para>
5420
5421 <para>
5422 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
5423 explicit context.  For example in the first argument of the
5424 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
5425 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
5426 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
5427 mentioned in the type quantified over.
5428 </para>
5429
5430 <para>
5431 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
5432 types too.  So if you write this:
5433
5434 <programlisting>
5435   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
5436 </programlisting>
5437
5438 it's just as if you had written this:
5439
5440 <programlisting>
5441   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
5442 </programlisting>
5443
5444 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
5445 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
5446 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
5447 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
5448 </para>
5449
5450 <para>
5451 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
5452 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
5453 </para>
5454
5455 <para>
5456
5457 <programlisting>
5458     a1 :: T Int
5459     a1 = T1 (\xy->x) 3
5460     
5461     a2, a3 :: Swizzle
5462     a2 = MkSwizzle sort
5463     a3 = MkSwizzle reverse
5464     
5465     a4 :: MonadT Maybe
5466     a4 = let r x = Just x
5467              b m k = case m of
5468                        Just y -> k y
5469                        Nothing -> Nothing
5470          in
5471          MkMonad r b
5472
5473     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
5474     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
5475 </programlisting>
5476
5477 </para>
5478
5479 <para>
5480 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
5481 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
5482 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
5483 </para>
5484
5485 <para>
5486 When you use pattern matching, the bound variables may now have
5487 polymorphic types.  For example:
5488 </para>
5489
5490 <para>
5491
5492 <programlisting>
5493     f :: T a -> a -> (a, Char)
5494     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5495
5496     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
5497     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
5498
5499     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
5500     h m [] = return m []
5501     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
5502                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
5503                  return m (y:ys)
5504 </programlisting>
5505
5506 </para>
5507
5508 <para>
5509 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
5510 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
5511 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
5512 matching.
5513 </para>
5514 </sect3>
5515
5516 <sect3>
5517 <title>Type inference</title>
5518
5519 <para>
5520 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
5521 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
5522 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
5523 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
5524 </para>
5525 <para>
5526 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
5527 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
5528 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
5529 </para>
5530 <para>
5531 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
5532 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
5533 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
5534 <programlisting>
5535      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
5536 </programlisting>
5537 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
5538 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
5539 <programlisting>
5540      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5541 </programlisting>
5542 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
5543 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
5544 one can give a type signature for the function itself:
5545 <programlisting>
5546      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
5547      h f = (f True, f 'c')
5548 </programlisting>
5549 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
5550 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
5551 <programlisting>
5552     f :: T a -> a -> (a, Char)
5553     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
5554 </programlisting>
5555 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
5556 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
5557 it needs to know.
5558 </para>
5559
5560 </sect3>
5561
5562
5563 <sect3 id="implicit-quant">
5564 <title>Implicit quantification</title>
5565
5566 <para>
5567 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
5568 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
5569 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
5570 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
5571 equivalent:
5572 <programlisting>
5573   f :: a -> a
5574   f :: forall a. a -> a
5575
5576   g (x::a) = let
5577                 h :: a -> b -> b
5578                 h x y = y
5579              in ...
5580   g (x::a) = let
5581                 h :: forall b. a -> b -> b
5582                 h x y = y
5583              in ...
5584 </programlisting>
5585 </para>
5586 <para>
5587 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
5588 point.  For example:
5589 <programlisting>
5590   f :: (a -> a) -> Int
5591            -- MEANS
5592   f :: forall a. (a -> a) -> Int
5593            -- NOT
5594   f :: (forall a. a -> a) -> Int
5595
5596
5597   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
5598            -- MEANS the illegal type
5599   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
5600            -- NOT
5601   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
5602 </programlisting>
5603 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
5604 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
5605 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
5606 for rank-2 types.
5607 </para>
5608 </sect3>
5609 </sect2>
5610
5611
5612 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
5613 <title>Impredicative polymorphism
5614 </title>
5615 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>, 
5616 enabled with <option>-XImpredicativeTypes</option>.  
5617 This means
5618 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
5619 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
5620 <programlisting>
5621   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
5622   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
5623   f Nothing  = Nothing
5624 </programlisting>
5625 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
5626 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
5627 [a])</literal>.
5628 </para>
5629 <para>The technical details of this extension are described in the paper
5630 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy/">Boxy types:
5631 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
5632 which appeared at ICFP 2006.  
5633 </para>
5634 </sect2>
5635
5636 <sect2 id="scoped-type-variables">
5637 <title>Lexically scoped type variables
5638 </title>
5639
5640 <para>
5641 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
5642 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
5643 <programlisting>
5644 f :: forall a. [a] -> [a]
5645 f xs = ys ++ ys
5646      where
5647        ys :: [a]
5648        ys = reverse xs
5649 </programlisting>
5650 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope,
5651 because of the explicit <literal>forall</literal> (<xref linkend="decl-type-sigs"/>).
5652 The type variables bound by a <literal>forall</literal> scope over
5653 the entire definition of the accompanying value declaration.
5654 In this example, the type variable <literal>a</literal> scopes over the whole 
5655 definition of <literal>f</literal>, including over
5656 the type signature for <varname>ys</varname>. 
5657 In Haskell 98 it is not possible to declare
5658 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
5659 it becomes possible to do so.
5660 </para>
5661 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
5662 <option>-XScopedTypeVariables</option>.  This flag implies <option>-XRelaxedPolyRec</option>.
5663 </para>
5664 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
5665 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
5666 carefully!</para>
5667
5668 <sect3>
5669 <title>Overview</title>
5670
5671 <para>The design follows the following principles
5672 <itemizedlist>
5673 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
5674 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
5675 design.)</para></listitem>
5676 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
5677 type variables.  This means that every programmer-written type signature
5678 (including one that contains free scoped type variables) denotes a
5679 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
5680 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
5681 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
5682 changing the program.</para></listitem>
5683 </itemizedlist>
5684 </para>
5685 <para>
5686 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
5687 <itemizedlist>
5688 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
5689 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
5690 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
5691 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
5692 </itemizedlist>
5693 </para>
5694 <para>
5695 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantified over
5696 its free type variables (<ulink
5697 url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
5698 4.1.2</ulink> 
5699 of the Haskell Report).
5700 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
5701 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
5702 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
5703 then
5704 <programlisting>
5705   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
5706   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
5707   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
5708 </programlisting>
5709 </para>
5710
5711
5712 </sect3>
5713
5714
5715 <sect3 id="decl-type-sigs">
5716 <title>Declaration type signatures</title>
5717 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5718 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5719 explicitly-quantified
5720 type variables, in the definition of the named function.  For example:
5721 <programlisting>
5722   f :: forall a. [a] -> [a]
5723   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5724 </programlisting>
5725 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
5726 the definition of "<literal>f</literal>".
5727 </para>
5728 <para>This only happens if:
5729 <itemizedlist>
5730 <listitem><para> The quantification in <literal>f</literal>'s type
5731 signature is explicit.  For example:
5732 <programlisting>
5733   g :: [a] -> [a]
5734   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
5735 </programlisting>
5736 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
5737 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
5738 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
5739 quantification rules.
5740 </para></listitem>
5741 <listitem><para> The signature gives a type for a function binding or a bare variable binding, 
5742 not a pattern binding.
5743 For example:
5744 <programlisting>
5745   f1 :: forall a. [a] -> [a]
5746   f1 (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5747
5748   f2 :: forall a. [a] -> [a]
5749   f2 = \(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ]   -- OK
5750
5751   f3 :: forall a. [a] -> [a] 
5752   Just f3 = Just (\(x:xs) -> xs ++ [ x :: a ])   -- Not OK!
5753 </programlisting>
5754 The binding for <literal>f3</literal> is a pattern binding, and so its type signature
5755 does not bring <literal>a</literal> into scope.   However <literal>f1</literal> is a
5756 function binding, and <literal>f2</literal> binds a bare variable; in both cases
5757 the type signature brings <literal>a</literal> into scope.
5758 </para></listitem>
5759 </itemizedlist>
5760 </para>
5761 </sect3>
5762
5763 <sect3 id="exp-type-sigs">
5764 <title>Expression type signatures</title>
5765
5766 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
5767 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
5768 explicitly-quantified
5769 type variables, in the annotated expression.  For example:
5770 <programlisting>
5771   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
5772 </programlisting>
5773 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
5774 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
5775 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
5776 </para>
5777
5778 </sect3>
5779
5780 <sect3 id="pattern-type-sigs">
5781 <title>Pattern type signatures</title>
5782 <para>
5783 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
5784 signature</emphasis>. 
5785 For example:
5786 <programlisting>
5787   -- f and g assume that 'a' is already in scope
5788   f = \(x::Int, y::a) -> x
5789   g (x::a) = x
5790   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
5791 </programlisting>
5792 In the case where all the type variables in the pattern type signature are
5793 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
5794 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
5795 </para>
5796 <para>
5797 Unlike expression and declaration type signatures, pattern type signatures are not implicitly generalised.
5798 The pattern in a <emphasis>pattern binding</emphasis> may only mention type variables
5799 that are already in scope.  For example:
5800 <programlisting>
5801   f :: forall a. [a] -> (Int, [a])
5802   f xs = (n, zs)
5803     where
5804       (ys::[a], n) = (reverse xs, length xs) -- OK
5805       zs::[a] = xs ++ ys                     -- OK
5806
5807       Just (v::b) = ...  -- Not OK; b is not in scope
5808 </programlisting>
5809 Here, the pattern signatures for <literal>ys</literal> and <literal>zs</literal>
5810 are fine, but the one for <literal>v</literal> is not because <literal>b</literal> is
5811 not in scope. 
5812 </para>
5813 <para>
5814 However, in all patterns <emphasis>other</emphasis> than pattern bindings, a pattern
5815 type signature may mention a type variable that is not in scope; in this case,
5816 <emphasis>the signature brings that type variable into scope</emphasis>.
5817 This is particularly important for existential data constructors.  For example:
5818 <programlisting>
5819   data T = forall a. MkT [a]
5820
5821   k :: T -> T
5822   k (MkT [t::a]) = MkT t3
5823                  where
5824                    t3::[a] = [t,t,t]
5825 </programlisting>
5826 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
5827 variable that is not already in scope.  Indeed, it <emphasis>cannot</emphasis> already be in scope,
5828 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
5829 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
5830 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
5831 existentially-bound type variable.
5832 </para>
5833 <para>
5834 When a pattern type signature binds a type variable in this way, GHC insists that the 
5835 type variable is bound to a <emphasis>rigid</emphasis>, or fully-known, type variable.
5836 This means that any user-written type signature always stands for a completely known type.
5837 </para>
5838 <para>
5839 If all this seems a little odd, we think so too.  But we must have
5840 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
5841 could not name existentially-bound type variables in subsequent type signatures.
5842 </para>
5843 <para>
5844 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
5845 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
5846 scope.
5847 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
5848 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
5849 </para>
5850
5851
5852 </sect3>
5853
5854 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
5855
5856 <sect3 id="result-type-sigs">
5857 <title>Result type signatures</title>
5858
5859 <para>
5860 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
5861
5862 <programlisting>
5863   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5864   f x y :: [a] = [x,y,x]
5865
5866   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
5867
5868   h :: forall a. [a] -> a
5869   h xs = case xs of
5870             (y:ys) :: a -> y
5871 </programlisting>
5872 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
5873 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
5874 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
5875 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
5876 </para>
5877 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
5878 <para>
5879 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
5880 examples would parse quite differently with parentheses:
5881 <programlisting>
5882   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
5883   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
5884
5885   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
5886
5887   h :: forall a. [a] -> a
5888   h xs = case xs of
5889             ((y:ys) :: a) -> y
5890 </programlisting>
5891 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
5892 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
5893 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
5894
5895 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
5896 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
5897 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
5898 consider how one would parse this:
5899 <programlisting>
5900   \ x :: a -> b -> x
5901 </programlisting>
5902 </para>
5903 </sect3>
5904
5905  -->
5906
5907 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
5908 <title>Class and instance declarations</title>
5909 <para>
5910
5911 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
5912 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
5913
5914
5915 <programlisting>
5916   class C a where
5917     op :: [a] -> a
5918
5919     op xs = let ys::[a]
5920                 ys = reverse xs
5921             in
5922             head ys
5923 </programlisting>
5924 </para>
5925 </sect3>
5926
5927 </sect2>
5928
5929
5930 <sect2 id="typing-binds">
5931 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
5932
5933 <para>
5934 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
5935 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
5936 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
5937 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
5938 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
5939 As each group is type-checked, any binders of the group that
5940 have
5941 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
5942 polymorphic type,
5943 and all others are monomorphic until the group is generalised 
5944 (<ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
5945 </para>
5946
5947 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
5948 <ulink url="http://citeseer.ist.psu.edu/424440.html">Typing Haskell in
5949 Haskell</ulink>,
5950 GHC implements a more general scheme.  If <option>-XRelaxedPolyRec</option> is
5951 specified:
5952 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
5953 type signature</emphasis>.
5954 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
5955 typecheck.  For example, consider:
5956 <programlisting>
5957   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
5958   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
5959   
5960   g y = (y &lt;= y) || f True
5961 </programlisting>
5962 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
5963 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
5964 <literal>f</literal>,
5965 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
5966 hand side is ignored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
5967 type is generalised, to get
5968 <programlisting>
5969   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
5970 </programlisting>
5971 Now, the definition for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
5972 <literal>g</literal> in the type environment.
5973 </para>
5974
5975 <para>
5976 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
5977 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
5978 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
5979 <option>-XRelaxedPolyRec</option>
5980 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
5981 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
5982 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
5983 <programlisting>
5984   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
5985   f x = (x == x) || g True
5986   
5987   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
5988   g y = (y &lt;= y) || f True
5989 </programlisting>
5990 </para>
5991 </sect2>
5992
5993 </sect1>
5994 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
5995   
5996 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
5997
5998 <sect1 id="template-haskell">
5999 <title>Template Haskell</title>
6000
6001 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
6002 Haskell.  
6003 The background to
6004 the main technical innovations is discussed in "<ulink
6005 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/">
6006 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
6007 </para>
6008 <para>
6009 There is a Wiki page about
6010 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6011 http://www.haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell</ulink>, and that is the best place to look for
6012 further details.
6013 You may also 
6014 consult the <ulink
6015 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
6016 Haskell library reference material</ulink> 
6017 (look for module <literal>Language.Haskell.TH</literal>).
6018 Many changes to the original design are described in 
6019       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell/notes2.ps">
6020 Notes on Template Haskell version 2</ulink>.
6021 Not all of these changes are in GHC, however.
6022 </para>
6023
6024 <para> The first example from that paper is set out below (<xref linkend="th-example"/>) 
6025 as a worked example to help get you started. 
6026 </para>
6027
6028 <para>
6029 The documentation here describes the realisation of Template Haskell in GHC.  It is not detailed enough to 
6030 understand Template Haskell; see the <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
6031 Wiki page</ulink>.
6032 </para>
6033
6034     <sect2>
6035       <title>Syntax</title>
6036
6037       <para> Template Haskell has the following new syntactic
6038       constructions.  You need to use the flag
6039       <option>-XTemplateHaskell</option>
6040         <indexterm><primary><option>-XTemplateHaskell</option></primary>
6041       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
6042       (<option>-XTemplateHaskell</option> is no longer implied by
6043       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
6044
6045         <itemizedlist>
6046               <listitem><para>
6047                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
6048                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
6049                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
6050                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
6051                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
6052                   </para>
6053               <para> A splice can occur in place of 
6054                   <itemizedlist>
6055                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
6056                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
6057                     <listitem><para> an type; the spliced expression must
6058                     have type <literal>Q Typ</literal></para></listitem>
6059                     <listitem><para> a list of top-level declarations; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
6060                     </itemizedlist>
6061                 </para>
6062             Inside a splice you can can only call functions defined in imported modules,
6063         not functions defined elsewhere in the same module.</listitem>
6064
6065
6066               <listitem><para>
6067                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
6068                   <itemizedlist>
6069                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
6070                              the quotation has type <literal>Q Exp</literal>.</para></listitem>
6071                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
6072                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
6073                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;
6074                              the quotation has type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
6075                   </itemizedlist></para></listitem>
6076
6077               <listitem><para>
6078                   A quasi-quotation can appear in either a pattern context or an
6079                   expression context and is also written in Oxford brackets:
6080                   <itemizedlist>
6081                     <listitem><para> <literal>[:<replaceable>varid</replaceable>| ... |]</literal>,
6082                         where the "..." is an arbitrary string; a full description of the
6083                         quasi-quotation facility is given in <xref linkend="th-quasiquotation"/>.</para></listitem>
6084                   </itemizedlist></para></listitem>
6085
6086               <listitem><para>
6087                   A name can be quoted with either one or two prefix single quotes:
6088                   <itemizedlist>
6089                     <listitem><para> <literal>'f</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the function <literal>f</literal>.
6090                   Similarly <literal>'C</literal> has type <literal>Name</literal> and names the data constructor <literal>C</literal>.
6091                   In general <literal>'</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in an expression context.
6092                      </para></listitem> 
6093                     <listitem><para> <literal>''T</literal> has type <literal>Name</literal>, and names the type constructor  <literal>T</literal>.
6094                   That is, <literal>''</literal><replaceable>thing</replaceable> interprets <replaceable>thing</replaceable> in a type context.
6095                      </para></listitem> 
6096                   </itemizedlist>
6097                   These <literal>Names</literal> can be used to construct Template Haskell expressions, patterns, declarations etc.  They
6098                   may also be given as an argument to the <literal>reify</literal> function.
6099                  </para>
6100                 </listitem>
6101
6102                   
6103         </itemizedlist>
6104 (Compared to the original paper, there are many differences of detail.
6105 The syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>".
6106 The type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>.
6107 Pattern splices and quotations are not implemented.)
6108
6109 </sect2>
6110
6111 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
6112 <para>
6113 <itemizedlist>
6114     <listitem><para>
6115     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
6116     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
6117     </para></listitem>
6118
6119     <listitem><para>
6120     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
6121             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
6122             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
6123    </para></listitem>
6124
6125    <listitem><para>
6126    You can only run a function at compile time if it is imported
6127    from another module <emphasis>that is not part of a mutually-recursive group of modules
6128    that includes the module currently being compiled</emphasis>.  Furthermore, all of the modules of 
6129    the mutually-recursive group must be reachable by non-SOURCE imports from the module where the
6130    splice is to be run.</para>
6131    <para>
6132    For example, when compiling module A,
6133    you can only run Template Haskell functions imported from B if B does not import A (directly or indirectly).
6134    The reason should be clear: to run B we must compile and run A, but we are currently type-checking A.
6135    </para></listitem>
6136
6137     <listitem><para>
6138             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
6139    </para></listitem>
6140     <listitem><para>
6141             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
6142               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
6143               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
6144               the program it compiles produces results whose representations are identical to
6145               those of the compiler itself.
6146    </para></listitem>
6147 </itemizedlist>
6148 </para>
6149 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
6150         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
6151         has been lifted.
6152 </para>
6153 </sect2>
6154  
6155 <sect2 id="th-example">  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
6156 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
6157   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
6158
6159 <programlisting>
6160
6161 {- Main.hs -}
6162 module Main where
6163
6164 -- Import our template "pr"
6165 import Printf ( pr )
6166
6167 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
6168 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
6169 -- the argument of "putStrLn".
6170 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
6171
6172
6173 {- Printf.hs -}
6174 module Printf where
6175
6176 -- Skeletal printf from the paper.
6177 -- It needs to be in a separate module to the one where
6178 -- you intend to use it.
6179
6180 -- Import some Template Haskell syntax
6181 import Language.Haskell.TH
6182
6183 -- Describe a format string
6184 data Format = D | S | L String
6185
6186 -- Parse a format string.  This is left largely to you
6187 -- as we are here interested in building our first ever
6188 -- Template Haskell program and not in building printf.
6189 parse :: String -> [Format]
6190 parse s   = [ L s ]
6191
6192 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
6193 -- of the format string.  This code will be spliced into
6194 -- the module which calls "pr", at compile time.
6195 gen :: [Format] -> Q Exp
6196 gen [D]   = [| \n -> show n |]
6197 gen [S]   = [| \s -> s |]
6198 gen [L s] = stringE s
6199
6200 -- Here we generate the Haskell code for the splice
6201 -- from an input format string.
6202 pr :: String -> Q Exp
6203 pr s = gen (parse s)
6204 </programlisting>
6205
6206 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
6207 </para>
6208 <programlisting>
6209 $ ghc --make -XTemplateHaskell main.hs -o main.exe
6210 </programlisting>
6211
6212 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
6213
6214 <programlisting>
6215 $ ./main
6216 Hello
6217 </programlisting>
6218
6219 </sect2>
6220
6221 <sect2>
6222 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
6223 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
6224  
6225 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
6226 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
6227 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
6228 itself is running; this means that the compiled code referred to by
6229 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
6230 in particular this means that object code that is compiled for
6231 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
6232 expression, because profiled object code is only compatible with the
6233 profiling version of the runtime.</para>
6234
6235 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
6236 containing Template Haskell code and you need to compile it for
6237 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
6238 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
6239 The basic idea is to compile the program twice:</para>
6240
6241 <orderedlist>
6242 <listitem>
6243   <para>Compile the program or library first the normal way, without
6244   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
6245 </listitem>
6246 <listitem>
6247   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
6248   additionally use <option>-osuf
6249   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
6250   to name the object files differently (you can choose any suffix
6251   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
6252   load the object files built in the first step when executing splice
6253   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
6254   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
6255   GHC will emit an error message. </para>
6256 </listitem>
6257 </orderedlist>
6258 </sect2>
6259
6260 <sect2 id="th-quasiquotation">  <title> Template Haskell Quasi-quotation </title>
6261 <para>Quasi-quotation allows patterns and expressions to be written using
6262 programmer-defined concrete syntax; the motivation behind the extension and
6263 several examples are documented in
6264 "<ulink url="http://www.eecs.harvard.edu/~mainland/ghc-quasiquoting/">Why It's
6265 Nice to be Quoted: Quasiquoting for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop
6266 2007). The example below shows how to write a quasiquoter for a simple
6267 expression language.</para>
6268
6269 <para>
6270 In the example, the quasiquoter <literal>expr</literal> is bound to a value of
6271 type <literal>Language.Haskell.TH.Quote.QuasiQuoter</literal> which contains two
6272 functions for quoting expressions and patterns, respectively. The first argument
6273 to each quoter is the (arbitrary) string enclosed in the Oxford brackets. The
6274 context of the quasi-quotation statement determines which of the two parsers is
6275 called: if the quasi-quotation occurs in an expression context, the expression
6276 parser is called, and if it occurs in a pattern context, the pattern parser is
6277 called.</para>
6278
6279 <para>
6280 Note that in the example we make use of an antiquoted
6281 variable <literal>n</literal>, indicated by the syntax <literal>'int:n</literal>
6282 (this syntax for anti-quotation was defined by the parser's
6283 author, <emphasis>not</emphasis> by GHC). This binds <literal>n</literal> to the
6284 integer value argument of the constructor <literal>IntExpr</literal> when
6285 pattern matching. Please see the referenced paper for further details regarding
6286 anti-quotation as well as the description of a technique that uses SYB to
6287 leverage a single parser of type <literal>String -> a</literal> to generate both
6288 an expression parser that returns a value of type <literal>Q Exp</literal> and a
6289 pattern parser that returns a value of type <literal>Q Pat</literal>.
6290 </para>
6291
6292 <para>In general, a quasi-quote has the form
6293 <literal>[$<replaceable>quoter</replaceable>| <replaceable>string</replaceable> |]</literal>.
6294 The <replaceable>quoter</replaceable> must be the name of an imported quoter; it
6295 cannot be an arbitrary expression.  The quoted <replaceable>string</replaceable> 
6296 can be arbitrary, and may contain newlines.
6297 </para>
6298 <para>
6299 Quasiquoters must obey the same stage restrictions as Template Haskell, e.g., in
6300 the example, <literal>expr</literal> cannot be defined
6301 in <literal>Main.hs</literal> where it is used, but must be imported.
6302 </para>
6303
6304 <programlisting>
6305
6306 {- Main.hs -}
6307 module Main where
6308
6309 import Expr
6310
6311 main :: IO ()
6312 main = do { print $ eval [$expr|1 + 2|]
6313           ; case IntExpr 1 of
6314               { [$expr|'int:n|] -> print n
6315               ;  _              -> return ()
6316               }
6317           }
6318
6319
6320 {- Expr.hs -}
6321 module Expr where
6322
6323 import qualified Language.Haskell.TH as TH
6324 import Language.Haskell.TH.Quote
6325
6326 data Expr  =  IntExpr Integer
6327            |  AntiIntExpr String
6328            |  BinopExpr BinOp Expr Expr
6329            |  AntiExpr String
6330     deriving(Show, Typeable, Data)
6331
6332 data BinOp  =  AddOp
6333             |  SubOp
6334             |  MulOp
6335             |  DivOp
6336     deriving(Show, Typeable, Data)
6337
6338 eval :: Expr -> Integer
6339 eval (IntExpr n)        = n
6340 eval (BinopExpr op x y) = (opToFun op) (eval x) (eval y)
6341   where
6342     opToFun AddOp = (+)
6343     opToFun SubOp = (-)
6344     opToFun MulOp = (*)
6345     opToFun DivOp = div
6346
6347 expr = QuasiQuoter parseExprExp parseExprPat
6348
6349 -- Parse an Expr, returning its representation as
6350 -- either a Q Exp or a Q Pat. See the referenced paper
6351 -- for how to use SYB to do this by writing a single
6352 -- parser of type String -> Expr instead of two
6353 -- separate parsers.
6354
6355 parseExprExp :: String -> Q Exp
6356 parseExprExp ...
6357
6358 parseExprPat :: String -> Q Pat
6359 parseExprPat ...
6360 </programlisting>
6361
6362 <para>Now run the compiler:
6363 </para>
6364 <programlisting>
6365 $ ghc --make -XQuasiQuotes Main.hs -o main
6366 </programlisting>
6367
6368 <para>Run "main" and here is your output:</para>
6369
6370 <programlisting>
6371 $ ./main
6372 3
6373 1
6374 </programlisting>
6375
6376 </sect2>
6377
6378 </sect1>
6379
6380 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
6381
6382 <sect1 id="arrow-notation">
6383 <title>Arrow notation
6384 </title>
6385
6386 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
6387 For more details, see
6388 <itemizedlist>
6389
6390 <listitem>
6391 <para>
6392 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
6393 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
6394 pp67&ndash;111, May 2000.
6395 The paper that introduced arrows: a friendly introduction, motivated with
6396 programming examples.
6397 </para>
6398 </listitem>
6399
6400 <listitem>
6401 <para>
6402 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
6403 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
6404 Introduced the notation described here.
6405 </para>
6406 </listitem>
6407
6408 <listitem>
6409 <para>
6410 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
6411 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
6412 Palgrave, 2003.
6413 </para>
6414 </listitem>
6415
6416 <listitem>
6417 <para>
6418 &ldquo;<ulink url="http://www.cs.chalmers.se/~rjmh/afp-arrows.pdf">Programming with Arrows</ulink>&rdquo;,
6419 John Hughes, in <citetitle>5th International Summer School on
6420 Advanced Functional Programming</citetitle>,
6421 <citetitle>Lecture Notes in Computer Science</citetitle> vol. 3622,
6422 Springer, 2004.
6423 This paper includes another introduction to the notation,
6424 with practical examples.
6425 </para>
6426 </listitem>
6427
6428 <listitem>
6429 <para>
6430 &ldquo;<ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/papers/arrow-rules.pdf">Type and Translation Rules for Arrow Notation in GHC</ulink>&rdquo;,
6431 Ross Paterson and Simon Peyton Jones, September 16, 2004.
6432 A terse enumeration of the formal rules used
6433 (extracted from comments in the source code).
6434 </para>
6435 </listitem>
6436
6437 <listitem>
6438 <para>
6439 The arrows web page at
6440 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
6441 </para>
6442 </listitem>
6443
6444 </itemizedlist>
6445 With the <option>-XArrows</option> flag, GHC supports the arrow
6446 notation described in the second of these papers,
6447 translating it using combinators from the
6448 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6449 module.
6450 What follows is a brief introduction to the notation;
6451 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
6452 </para>
6453
6454 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
6455 <screen>
6456 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
6457        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6458 </screen>
6459 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
6460 The variables of the pattern are bound in the body of the 
6461 <literal>proc</literal>-expression,
6462 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
6463 The syntax of commands is as follows:
6464 <screen>
6465 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
6466        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
6467        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
6468 </screen>
6469 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
6470 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
6471 infix operators as for expressions, and
6472 <screen>
6473 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
6474        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
6475        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
6476        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
6477        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
6478        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
6479
6480 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
6481        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
6482        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
6483
6484 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
6485        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
6486        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
6487        |  <replaceable>cmd</replaceable>
6488 </screen>
6489 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
6490 except that the bodies are commands instead of expressions.
6491 </para>
6492
6493 <para>
6494 Commands produce values, but (like monadic computations)
6495 may yield more than one value,
6496 or none, and may do other things as well.
6497 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
6498 using commands.
6499 However the values of expressions, even monadic ones,
6500 are determined by the values of the variables they contain;
6501 this is not necessarily the case for commands.
6502 </para>
6503
6504 <para>
6505 A simple example of the new notation is the expression
6506 <screen>
6507 proc x -> f -&lt; x+1
6508 </screen>
6509 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
6510 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
6511 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
6512 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
6513 It refers to the input to the arrow.
6514 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
6515 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
6516 type and an expression to be fed as input to that arrow.
6517 (The weird look will make more sense later.)
6518 It may be read as analogue of application for arrows.
6519 The above example is equivalent to the Haskell expression
6520 <screen>
6521 arr (\ x -> x+1) >>> f
6522 </screen>
6523 That would make no sense if the expression to the left of
6524 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
6525 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
6526 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
6527 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
6528 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
6529 <screen>
6530 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
6531 </screen>
6532 which is equivalent to
6533 <screen>
6534 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
6535 </screen>
6536 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
6537 class.
6538 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
6539 you may find a monadic formulation more convenient.
6540 </para>
6541
6542 <sect2>
6543 <title>do-notation for commands</title>
6544
6545 <para>
6546 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
6547 For example, you can write
6548 <screen>
6549 proc x -> do
6550         y &lt;- f -&lt; x+1
6551         g -&lt; 2*y
6552         let z = x+y
6553         t &lt;- h -&lt; x*z
6554         returnA -&lt; t+z
6555 </screen>
6556 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
6557 but with commands in place of monadic expressions.
6558 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
6559 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
6560 <literal>y</literal>.
6561 In the next line, the output is discarded.
6562 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
6563 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6564 module as <literal>arr id</literal>.
6565 The above example is treated as an abbreviation for
6566 <screen>
6567 arr (\ x -> (x, x)) >>>
6568         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
6569         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
6570         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
6571         arr snd >>>
6572         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
6573         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
6574         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
6575         returnA
6576 </screen>
6577 Note that variables not used later in the composition are projected out.
6578 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
6579 defined in the
6580 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
6581 module, this reduces to
6582 <screen>
6583 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
6584         first f >>>
6585         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
6586         first g >>>
6587         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
6588         first h >>>
6589         arr (\ (t, z) -> t+z)
6590 </screen>
6591 which is what you might have written by hand.
6592 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
6593 </para>
6594
6595 <para>
6596 Note that although the above translation suggests that
6597 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
6598 monomorphic, the actual translation produces Core,
6599 so polymorphic variables are allowed.
6600 </para>
6601
6602 <para>
6603 It's also possible to have mutually recursive bindings,
6604 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
6605 <programlisting>
6606 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
6607 counter = proc reset -> do
6608         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
6609                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
6610         returnA -&lt; output
6611 </programlisting>
6612 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
6613 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
6614 </para>
6615
6616 </sect2>
6617
6618 <sect2>
6619 <title>Conditional commands</title>
6620
6621 <para>
6622 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
6623 input for an arrow.
6624 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
6625 <screen>
6626 proc (x,y) ->
6627         if f x y
6628         then g -&lt; x+1
6629         else h -&lt; y+2
6630 </screen>
6631 which is translated to
6632 <screen>
6633 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
6634         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
6635 </screen>
6636 Since the translation uses <function>|||</function>,
6637 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
6638 </para>
6639
6640 <para>
6641 There are also <literal>case</literal> commands, like
6642 <screen>
6643 case input of
6644     [] -> f -&lt; ()
6645     [x] -> g -&lt; x+1
6646     x1:x2:xs -> do
6647         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
6648         ys &lt;- k -&lt; xs
6649         returnA -&lt; y:ys
6650 </screen>
6651 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
6652 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
6653 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
6654 </para>
6655
6656 </sect2>
6657
6658 <sect2>
6659 <title>Defining your own control structures</title>
6660
6661 <para>
6662 As we're seen, arrow notation provides constructs,
6663 modelled on those for expressions,
6664 for sequencing, value recursion and conditionals.
6665 But suitable combinators,
6666 which you can define in ordinary Haskell,
6667 may also be used to build new commands out of existing ones.
6668 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
6669 These environments assign values to the free local variables of the command.
6670 Thus combinators that produce arrows from arrows
6671 may also be used to build commands from commands.
6672 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
6673 <programlisting>
6674 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
6675 </programlisting>
6676 so we can use it to build commands:
6677 <programlisting>
6678 expr' = proc x -> do
6679                 returnA -&lt; x
6680         &lt;+> do
6681                 symbol Plus -&lt; ()
6682                 y &lt;- term -&lt; ()
6683                 expr' -&lt; x + y
6684         &lt;+> do
6685                 symbol Minus -&lt; ()
6686                 y &lt;- term -&lt; ()
6687                 expr' -&lt; x - y
6688 </programlisting>
6689 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
6690 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
6691 expression on the previous line.)
6692 This is equivalent to
6693 <programlisting>
6694 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
6695         &lt;+> (proc x -> do
6696                 symbol Plus -&lt; ()
6697                 y &lt;- term -&lt; ()
6698                 expr' -&lt; x + y)
6699         &lt;+> (proc x -> do
6700                 symbol Minus -&lt; ()
6701                 y &lt;- term -&lt; ()
6702                 expr' -&lt; x - y)
6703 </programlisting>
6704 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
6705 (representing the environment input to the command
6706 and thence to its subcommands)
6707 and satisfy the corresponding naturality property
6708 <screen>
6709 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
6710 </screen>
6711 at least for strict <literal>k</literal>.
6712 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
6713 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
6714 of the whole command,
6715 and also allows the translation to safely trim these environments.
6716 The operator must also not use any variable defined within the current
6717 arrow abstraction.
6718 </para>
6719
6720 <para>
6721 We could define our own operator
6722 <programlisting>
6723 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
6724 untilA body cond = proc x ->
6725         b &lt;- cond -&lt; x
6726         if b then returnA -&lt; ()
6727         else do
6728                 body -&lt; x
6729                 untilA body cond -&lt; x
6730 </programlisting>
6731 and use it in the same way.
6732 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
6733 there is also a more general syntax involving special brackets:
6734 <screen>
6735 proc x -> do
6736         y &lt;- f -&lt; x+1
6737         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
6738 </screen>
6739 </para>
6740
6741 </sect2>
6742
6743 <sect2>
6744 <title>Primitive constructs</title>
6745
6746 <para>
6747 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
6748 For example, in an arrow type supporting exceptions,
6749 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
6750 exception that occurred to the handler.
6751 Such an operator might have a type
6752 <screen>
6753 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
6754 </screen>
6755 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
6756 You could then use this with arrow notation by writing a command
6757 <screen>
6758 body `handleA` \ ex -> handler
6759 </screen>
6760 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
6761 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
6762 and the command <literal>handler</literal>,
6763 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
6764 Though the syntax here looks like a functional lambda,
6765 we are talking about commands, and something different is going on.
6766 The input to the arrow represented by a command consists of values for
6767 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
6768 In all the prior examples, this stack was empty.
6769 In the second argument to <function>handleA</function>,
6770 this stack consists of one value, the value of the exception.
6771 The command form of lambda merely gives this value a name.
6772 </para>
6773
6774 <para>
6775 More concretely,
6776 the values on the stack are paired to the right of the environment.
6777 So operators like <function>handleA</function> that pass
6778 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
6779 by pairing the values with the environment in this way.
6780 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
6781 should have the form
6782 <screen>
6783 a (...(e,t1), ... tn) t
6784 </screen>
6785 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
6786 (representing the environment)
6787 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
6788 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
6789 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
6790 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
6791 <replaceable>t</replaceable>.
6792 However the arrows involved need not be the same.
6793 Here are some more examples of suitable operators:
6794 <screen>
6795 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
6796 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
6797 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
6798 </screen>
6799 We can supply the extra input required by commands built with the last two
6800 by applying them to ordinary expressions, as in
6801 <screen>
6802 proc x -> do
6803         s &lt;- ...
6804         (|runReader (do { ... })|) s
6805 </screen>
6806 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
6807 built using <function>runReader</function>.
6808 </para>
6809
6810 <para>
6811 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
6812 the expression versions.
6813 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
6814 These three features (operators, lambda abstraction and application)
6815 are the core of the notation; everything else can be built using them,
6816 though the results would be somewhat clumsy.
6817 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
6818 <programlisting>
6819 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
6820 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
6821
6822 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
6823 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
6824 </programlisting>
6825 We could simulate <literal>if</literal> by defining
6826 <programlisting>
6827 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
6828 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
6829 </programlisting>
6830 </para>
6831
6832 </sect2>
6833
6834 <sect2>
6835 <title>Differences with the paper</title>
6836
6837 <itemizedlist>
6838
6839 <listitem>
6840 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
6841 translations, the implementation provides two forms
6842 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
6843 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
6844 </para>
6845 </listitem>
6846
6847 <listitem>
6848 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
6849 a new <literal>form</literal> keyword.
6850 </para>
6851 </listitem>
6852
6853 </itemizedlist>
6854
6855 </sect2>
6856
6857 <sect2>
6858 <title>Portability</title>
6859
6860 <para>
6861 Although only GHC implements arrow notation directly,
6862 there is also a preprocessor
6863 (available from the 
6864 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
6865 that translates arrow notation into Haskell 98
6866 for use with other Haskell systems.
6867 You would still want to check arrow programs with GHC;
6868 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
6869 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
6870 additional restrictions:
6871 <itemizedlist>
6872
6873 <listitem>
6874 <para>
6875 The module must import
6876 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
6877 </para>
6878 </listitem>
6879
6880 <listitem>
6881 <para>
6882 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
6883 These would have to go in separate modules.
6884 </para>
6885 </listitem>
6886
6887 <listitem>
6888 <para>
6889 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
6890 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
6891 </para>
6892 </listitem>
6893
6894 </itemizedlist>
6895 </para>
6896
6897 </sect2>
6898
6899 </sect1>
6900
6901 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
6902
6903 <sect1 id="bang-patterns">
6904 <title>Bang patterns
6905 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
6906 </title>
6907 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
6908 patterns</emphasis>, written <literal>!<replaceable>pat</replaceable></literal>.   
6909 Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
6910 The <ulink
6911 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
6912 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
6913 than the material below.
6914 </para>
6915 <para>
6916 The key change is the addition of a new rule to the 
6917 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">semantics of pattern matching in the Haskell 98 report</ulink>.
6918 Add new bullet 10, saying: Matching the pattern <literal>!</literal><replaceable>pat</replaceable> 
6919 against a value <replaceable>v</replaceable> behaves as follows:
6920 <itemizedlist>
6921 <listitem><para>if <replaceable>v</replaceable> is bottom, the match diverges</para></listitem>
6922 <listitem><para>otherwise, <replaceable>pat</replaceable> is matched against <replaceable>v</replaceable>  </para></listitem>
6923 </itemizedlist>
6924 </para>
6925 <para>
6926 Bang patterns are enabled by the flag <option>-XBangPatterns</option>.
6927 </para>
6928
6929 <sect2 id="bang-patterns-informal">
6930 <title>Informal description of bang patterns
6931 </title>
6932 <para>
6933 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
6934 <programlisting>
6935   pat ::= !pat
6936 </programlisting>
6937 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
6938 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
6939 Example:
6940 <programlisting>
6941 f1 !x = True
6942 </programlisting>
6943 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
6944 whereas without the bang it would be lazy.
6945 Bang patterns can be nested of course:
6946 <programlisting>
6947 f2 (!x, y) = [x,y]
6948 </programlisting>
6949 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
6950 <literal>y</literal>.  
6951 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
6952 <programlisting>
6953 f3 !(x,y) = [x,y]
6954 f4 (x,y)  = [x,y]
6955 </programlisting>
6956 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; 
6957 putting a bang before a pattern that
6958 forces evaluation anyway does nothing.
6959 </para>
6960 <para>
6961 There is one (apparent) exception to this general rule that a bang only
6962 makes a difference when it precedes a variable or wild-card: a bang at the
6963 top level of a <literal>let</literal> or <literal>where</literal>
6964 binding makes the binding strict, regardless of the pattern. For example:
6965 <programlisting>
6966 let ![x,y] = e in b
6967 </programlisting>
6968 is a strict binding: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
6969 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>.
6970 (We say "apparent" exception because the Right Way to think of it is that the bang
6971 at the top of a binding is not part of the <emphasis>pattern</emphasis>; rather it
6972 is part of the syntax of the <emphasis>binding</emphasis>.)
6973 Nested bangs in a pattern binding behave uniformly with all other forms of 
6974 pattern matching.  For example
6975 <programlisting>
6976 let (!x,[y]) = e in b
6977 </programlisting>
6978 is equivalent to this:
6979 <programlisting>
6980 let { t = case e of (x,[y]) -> x `seq` (x,y)
6981       x = fst t
6982       y = snd t }
6983 in b
6984 </programlisting>
6985 The binding is lazy, but when either <literal>x</literal> or <literal>y</literal> is
6986 evaluated by <literal>b</literal> the entire pattern is matched, including forcing the
6987 evaluation of <literal>x</literal>.
6988 </para>
6989 <para>
6990 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
6991 <programlisting>
6992 g5 x = let y = f x in body
6993 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
6994 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
6995 </programlisting>
6996 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
6997 But <literal>g7</literal> evaluates <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
6998 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
6999 </para>
7000 </sect2>
7001
7002
7003 <sect2 id="bang-patterns-sem">
7004 <title>Syntax and semantics
7005 </title>
7006 <para>
7007
7008 We add a single new production to the syntax of patterns:
7009 <programlisting>
7010   pat ::= !pat
7011 </programlisting>
7012 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
7013 <programlisting>
7014 f !x = 3
7015 </programlisting>
7016 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
7017 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
7018 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
7019 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
7020 prefix notation:
7021 <programlisting>
7022 (!) f x = 3
7023 </programlisting>
7024 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
7025 url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
7026 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
7027 one extra item 10, saying:
7028 <itemizedlist><listitem><para>Matching
7029 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
7030 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
7031                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
7032                 <literal>v</literal></para></listitem>
7033 </itemizedlist>
7034 </para></listitem></itemizedlist>
7035 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
7036 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
7037 <programlisting>
7038 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
7039    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
7040 </programlisting>
7041 </para><para>
7042 That leaves let expressions, whose translation is given in 
7043 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
7044 3.12</ulink>
7045 of the Haskell Report.
7046 In the translation box, first apply 
7047 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
7048 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
7049 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
7050 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
7051 </para>
7052 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
7053 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
7054 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
7055 thus:
7056 <programlisting>
7057   let !y = f x in b
7058 </programlisting>
7059
7060 </para>
7061 <para>
7062 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
7063 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
7064 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
7065      is equivalent to
7066 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
7067 </para>
7068 <para>
7069 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
7070 a module.
7071 </para>
7072 </sect2>
7073 </sect1>
7074
7075 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
7076
7077 <sect1 id="assertions">
7078 <title>Assertions
7079 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
7080 </title>
7081
7082 <para>
7083 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
7084 could define a function like the following:
7085 </para>
7086
7087 <para>
7088
7089 <programlisting>
7090 assert :: Bool -> a -> a
7091 assert False x = error "assertion failed!"
7092 assert _     x = x
7093 </programlisting>
7094
7095 </para>
7096
7097 <para>
7098 which works, but gives you back a less than useful error message --
7099 an assertion failed, but which and where?
7100 </para>
7101
7102 <para>
7103 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
7104 takes a descriptive string to include in the error message and
7105 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
7106 the source location where <function>assert</function> was used.
7107 </para>
7108
7109 <para>
7110 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
7111 use of <function>assert</function> in the user's source:
7112 </para>
7113
7114 <para>
7115
7116 <programlisting>
7117 kelvinToC :: Double -> Double
7118 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
7119 </programlisting>
7120
7121 </para>
7122
7123 <para>
7124 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
7125 assertion was made,
7126 </para>
7127
7128 <para>
7129
7130 <programlisting>
7131 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
7132 </programlisting>
7133
7134 </para>
7135
7136 <para>
7137 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
7138 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
7139 can still define and use your own versions of
7140 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
7141 <literal>Control.Exception</literal> to make use
7142 <function>assert</function> in your code.
7143 </para>
7144
7145 <para>
7146 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
7147       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
7148 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
7149 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
7150       <option>-fignore-asserts</option>
7151       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
7152       </indexterm>.</para>
7153
7154 <para>
7155 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
7156 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
7157 </para>
7158
7159 </sect1>
7160
7161
7162 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
7163
7164   <sect1 id="pragmas">
7165     <title>Pragmas</title>
7166
7167     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
7168
7169     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
7170     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
7171     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
7172     of the generated code.</para>
7173
7174     <para>Pragmas all take the form
7175
7176 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
7177
7178     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
7179     pragma, and is followed optionally by information specific to that
7180     type of pragma.  Case is ignored in
7181     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
7182     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
7183     in the following sections; any pragma encountered with an
7184     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is
7185     ignored. The layout rule applies in pragmas, so the closing <literal>#-}</literal>
7186     should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>. </para> 
7187
7188     <para>Certain pragmas are <emphasis>file-header pragmas</emphasis>:
7189       <itemizedlist>
7190       <listitem><para>
7191           A file-header
7192           pragma must precede the <literal>module</literal> keyword in the file.
7193           </para></listitem>
7194       <listitem><para>
7195       There can be as many file-header pragmas as you please, and they can be
7196       preceded or followed by comments.  
7197           </para></listitem>
7198       <listitem><para>
7199       File-header pragmas are read once only, before
7200       pre-processing the file (e.g. with cpp).
7201           </para></listitem>
7202       <listitem><para>
7203          The file-header pragmas are: <literal>{-# LANGUAGE #-}</literal>,
7204         <literal>{-# OPTIONS_GHC #-}</literal>, and
7205         <literal>{-# INCLUDE #-}</literal>.
7206           </para></listitem>
7207       </itemizedlist>
7208       </para>
7209
7210     <sect2 id="language-pragma">
7211       <title>LANGUAGE pragma</title>
7212
7213       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7214       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
7215
7216       <para>The <literal>LANGUAGE</literal> pragma allows language extensions to be enabled 
7217         in a portable way.
7218         It is the intention that all Haskell compilers support the
7219         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
7220         all extensions are supported by all compilers, of
7221         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
7222         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
7223
7224       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
7225
7226 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
7227
7228         <para><literal>LANGUAGE</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7229
7230       <para>Every language extension can also be turned into a command-line flag
7231         by prefixing it with "<literal>-X</literal>"; for example <option>-XForeignFunctionInterface</option>.
7232         (Similarly, all "<literal>-X</literal>" flags can be written as <literal>LANGUAGE</literal> pragmas.
7233       </para>
7234
7235       <para>A list of all supported language extensions can be obtained by invoking
7236         <literal>ghc --supported-languages</literal> (see <xref linkend="modes"/>).</para>
7237
7238       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
7239         <ulink
7240           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink>
7241         may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
7242     </sect2>
7243
7244
7245     <sect2 id="options-pragma">
7246       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
7247       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
7248       </indexterm>
7249       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
7250       </indexterm>
7251
7252       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
7253       additional options that are given to the compiler when compiling
7254       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
7255       details.</para>
7256
7257       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
7258         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
7259     </sect2>
7260
7261         <para><literal>OPTIONS_GHC</literal> is a file-header pragma (see <xref linkend="pragmas"/>).</para>
7262
7263     <sect2 id="include-pragma">
7264       <title>INCLUDE pragma</title>
7265
7266       <para>The <literal>INCLUDE</literal> used to be necessary for
7267         specifying header files to be included when using the FFI and
7268         compiling via C.  It is no longer required for GHC, but is
7269         accepted (and ignored) for compatibility with other
7270         compilers.</para>
7271     </sect2>
7272
7273     <sect2 id="warning-deprecated-pragma">
7274       <title>WARNING and DEPRECATED pragmas</title>
7275       <indexterm><primary>WARNING</primary></indexterm>
7276       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary></indexterm>
7277
7278       <para>The WARNING pragma allows you to attach an arbitrary warning
7279       to a particular function, class, or type.
7280       A DEPRECATED pragma lets you specify that
7281       a particular function, class, or type is deprecated.
7282       There are two ways of using these pragmas.
7283
7284       <itemizedlist>
7285         <listitem>
7286           <para>You can work on an entire module thus:</para>
7287 <programlisting>
7288    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
7289      ...
7290 </programlisting>
7291       <para>Or:</para>
7292 <programlisting>
7293    module Wibble {-# WARNING "This is an unstable interface." #-} where
7294      ...
7295 </programlisting>
7296           <para>When you compile any module that import
7297           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
7298           message.</para>
7299         </listitem>
7300
7301         <listitem>
7302           <para>You can attach a warning to a function, class, type, or data constructor, with the
7303           following top-level declarations:</para>
7304 <programlisting>
7305    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
7306    {-# WARNING unsafePerformIO "This is unsafe; I hope you know what you're doing" #-}
7307 </programlisting>
7308           <para>When you compile any module that imports and uses any
7309           of the specified entities, GHC will print the specified
7310           message.</para>
7311           <para> You can only attach to entities declared at top level in the module
7312           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
7313           entities. A capitalised name, such as <literal>T</literal>
7314           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
7315           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
7316           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to
7317       specify one without the other (c.f. fixities
7318       <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
7319         </listitem>
7320       </itemizedlist>
7321       Warnings and deprecations are not reported for
7322       (a) uses within the defining module, and
7323       (b) uses in an export list.
7324       The latter reduces spurious complaints within a library
7325       in which one module gathers together and re-exports 
7326       the exports of several others.
7327       </para>
7328       <para>You can suppress the warnings with the flag
7329       <option>-fno-warn-warnings-deprecations</option>.</para>
7330     </sect2>
7331
7332     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
7333       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
7334
7335       <para>These pragmas control the inlining of function
7336       definitions.</para>
7337
7338       <sect3 id="inline-pragma">
7339         <title>INLINE pragma</title>
7340         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
7341
7342         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
7343         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
7344         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
7345         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
7346         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
7347         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
7348         export that unfolding for other modules to use.</para>
7349
7350         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
7351         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
7352         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
7353
7354 <programlisting>
7355 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
7356 {-# INLINE key_function #-}
7357 </programlisting>
7358
7359         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
7360         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
7361         The normal unfolding machinery will then be very keen to
7362         inline it.  However, an <literal>INLINE</literal> pragma for a 
7363         function "<literal>f</literal>" has a number of other effects:
7364 <itemizedlist>
7365 <listitem><para>
7366 No functions are inlined into <literal>f</literal>.  Otherwise
7367 GHC might inline a big function into <literal>f</literal>'s right hand side, 
7368 making <literal>f</literal> big; and then inline <literal>f</literal> blindly.
7369 </para></listitem>
7370 <listitem><para>
7371 The float-in, float-out, and common-sub-expression transformations are not 
7372 applied to the body of <literal>f</literal>.  
7373 </para></listitem>
7374 <listitem><para>
7375 An INLINE function is not worker/wrappered by strictness analysis.
7376 It's going to be inlined wholesale instead.
7377 </para></listitem>
7378 </itemizedlist>
7379 All of these effects are aimed at ensuring that what gets inlined is
7380 exactly what you asked for, no more and no less.
7381 </para>
7382 <para>GHC ensures that inlining cannot go on forever: every mutually-recursive
7383 group is cut by one or more <emphasis>loop breakers</emphasis> that is never inlined
7384 (see <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/Papers/inlining/index.htm">
7385 Secrets of the GHC inliner, JFP 12(4) July 2002</ulink>).
7386 GHC tries not to select a function with an INLINE pragma as a loop breaker, but
7387 when there is no choice even an INLINE function can be selected, in which case
7388 the INLINE pragma is ignored.
7389 For example, for a self-recursive function, the loop breaker can only be the function
7390 itself, so an INLINE pragma is always ignored.</para>
7391
7392         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
7393         function can be put anywhere its type signature could be
7394         put.</para>
7395
7396         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
7397         good idea for the
7398         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
7399         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
7400         a monad.  For example, in GHC's own
7401         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
7402
7403 <programlisting>
7404 {-# INLINE thenUs #-}
7405 {-# INLINE returnUs #-}
7406 </programlisting>
7407
7408         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
7409         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
7410
7411         <para>Note: the HBC compiler doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas,
7412           so if you want your code to be HBC-compatible you'll have to surround
7413           the pragma with C pre-processor directives 
7414           <literal>#ifdef __GLASGOW_HASKELL__</literal>...<literal>#endif</literal>.</para>
7415
7416       </sect3>
7417
7418       <sect3 id="noinline-pragma">
7419         <title>NOINLINE pragma</title>
7420         
7421         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
7422         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
7423
7424         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
7425         you'd expect: it stops the named function from being inlined
7426         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
7427         you're very cautious about code size.</para>
7428
7429         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
7430         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
7431         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
7432         inlining, so it should be used if you want your code to be
7433         portable).</para>
7434       </sect3>
7435
7436       <sect3 id="phase-control">
7437         <title>Phase control</title>
7438
7439         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
7440         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
7441         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
7442         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
7443         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
7444         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
7445         sequence of phase numbers for successive runs of the
7446         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
7447         phase number, thus:
7448         <itemizedlist>
7449           <listitem>
7450             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7451             <literal>f</literal>
7452               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7453               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
7454             </para></listitem>
7455           <listitem>
7456             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
7457             <literal>f</literal>
7458               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7459               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7460             </para></listitem>
7461           <listitem>
7462             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
7463             <literal>f</literal>
7464               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7465               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
7466               there was no pragma).
7467             </para></listitem>
7468             <listitem>
7469             <para>"<literal>NOINLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
7470             <literal>f</literal>
7471               until phase <literal>k</literal>, but from phase
7472               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
7473             </para></listitem>
7474         </itemizedlist>
7475 The same information is summarised here:
7476 <programlisting>
7477                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
7478   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
7479   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
7480   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
7481   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
7482
7483   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
7484   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
7485 </programlisting>
7486 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
7487 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
7488 Another way to understand the semantics is this:
7489 <itemizedlist>
7490 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
7491 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
7492 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
7493 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
7494 happen.
7495 </para></listitem>
7496 </itemizedlist>
7497 </para>
7498 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
7499         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
7500       </sect3>
7501     </sect2>
7502
7503     <sect2 id="annotation-pragmas">
7504       <title>ANN pragmas</title>
7505       
7506       <para>GHC offers the ability to annotate various code constructs with additional
7507       data by using three pragmas.  This data can then be inspected at a later date by
7508       using GHC-as-a-library.</para>
7509             
7510       <sect3 id="ann-pragma">
7511         <title>Annotating values</title>
7512         
7513         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7514         
7515         <para>Any expression that has both <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances may be attached to a top-level value
7516         binding using an <literal>ANN</literal> pragma. In particular, this means you can use <literal>ANN</literal>
7517         to annotate data constructors (e.g. <literal>Just</literal>) as well as normal values (e.g. <literal>take</literal>).
7518         By way of example, to annotate the function <literal>foo</literal> with the annotation <literal>Just "Hello"</literal>
7519         you would do this:</para>
7520         
7521 <programlisting>
7522 {-# ANN foo (Just "Hello") #-}
7523 foo = ...
7524 </programlisting>
7525         
7526         <para>
7527           A number of restrictions apply to use of annotations:
7528           <itemizedlist>
7529             <listitem><para>The binder being annotated must be at the top level (i.e. no nested binders)</para></listitem>
7530             <listitem><para>The binder being annotated must be declared in the current module</para></listitem>
7531             <listitem><para>The expression you are annotating with must have a type with <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal> instances</para></listitem>
7532             <listitem><para>The <ulink linkend="using-template-haskell">Template Haskell staging restrictions</ulink> apply to the
7533             expression being annotated with, so for example you cannot run a function from the module being compiled.</para>
7534             
7535             <para>To be precise, the annotation <literal>{-# ANN x e #-}</literal> is well staged if and only if <literal>$(e)</literal> would be 
7536             (disregarding the usual type restrictions of the splice syntax, and the usual restriction on splicing inside a splice - <literal>$([|1|])</literal> is fine as an annotation, albeit redundant).</para></listitem>
7537           </itemizedlist>
7538           
7539           If you feel strongly that any of these restrictions are too onerous, <ulink url="http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/MailingListsAndIRC">
7540           please give the GHC team a shout</ulink>.
7541         </para>
7542         
7543         <para>However, apart from these restrictions, many things are allowed, including expressions which are not fully evaluated!
7544         Annotation expressions will be evaluated by the compiler just like Template Haskell splices are. So, this annotation is fine:</para>
7545         
7546 <programlisting>
7547 {-# ANN f SillyAnnotation { foo = (id 10) + $([| 20 |]), bar = 'f } #-}
7548 f = ...
7549 </programlisting>
7550       </sect3>
7551       
7552       <sect3 id="typeann-pragma">
7553         <title>Annotating types</title>
7554         
7555         <indexterm><primary>ANN type</primary></indexterm>
7556         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7557         
7558         <para>You can annotate types with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>type</literal> keyword. For example:</para>
7559         
7560 <programlisting>
7561 {-# ANN type Foo (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7562 data Foo = ...
7563 </programlisting>
7564       </sect3>
7565       
7566       <sect3 id="modann-pragma">
7567         <title>Annotating modules</title>
7568         
7569         <indexterm><primary>ANN module</primary></indexterm>
7570         <indexterm><primary>ANN</primary></indexterm>
7571         
7572         <para>You can annotate modules with the <literal>ANN</literal> pragma by using the <literal>module</literal> keyword. For example:</para>
7573         
7574 <programlisting>
7575 {-# ANN module (Just "A `Maybe String' annotation") #-}
7576 </programlisting>
7577       </sect3>
7578     </sect2>
7579
7580     <sect2 id="line-pragma">
7581       <title>LINE pragma</title>
7582
7583       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
7584       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
7585       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
7586       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
7587       code.  It lets you specify the line number and filename of the
7588       original code; for example</para>
7589
7590 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
7591
7592       <para>if you'd generated the current file from something called
7593       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
7594       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
7595       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
7596       pragma.</para>
7597     </sect2>
7598
7599     <sect2 id="rules">
7600       <title>RULES pragma</title>
7601
7602       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
7603       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
7604     </sect2>
7605
7606     <sect2 id="specialize-pragma">
7607       <title>SPECIALIZE pragma</title>
7608
7609       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7610       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
7611       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7612
7613       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
7614       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
7615       specialised to particular types.  Thus, if you have an
7616       overloaded function:</para>
7617
7618 <programlisting>
7619   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
7620 </programlisting>
7621
7622       <para>If it is heavily used on lists with
7623       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
7624       follows:</para>
7625
7626 <programlisting>
7627   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
7628 </programlisting>
7629
7630       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
7631       be put anywhere its type signature could be put.</para>
7632
7633       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
7634       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
7635       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
7636       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
7637
7638       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
7639         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
7640         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
7641 <programlisting>
7642   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
7643 </programlisting>
7644       is valid if and only if the definition
7645 <programlisting>
7646   f_spec :: &lt;type&gt;
7647   f_spec = f
7648 </programlisting>
7649       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
7650       for the original function, not its code):
7651 <programlisting>
7652   f :: Eq a => a -> b -> b
7653   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
7654
7655   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
7656   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
7657
7658   h :: Eq a => a -> a -> a
7659   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
7660 </programlisting>
7661 The last of these examples will generate a 
7662 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
7663 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
7664 </para>
7665
7666 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
7667 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
7668 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
7669 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised version of the
7670 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
7671 example is this:
7672 <programlisting>
7673 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
7674 data Arr e where
7675   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
7676   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
7677
7678 (!:) :: Arr e -> Int -> e
7679 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
7680 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
7681 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
7682 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
7683 </programlisting>
7684 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
7685 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
7686 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
7687 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
7688 <literal>(!:)</literal>,
7689 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
7690 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
7691 unrolling of the indexing function.</para>
7692 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
7693 on an ordinarily-recursive function.</para>
7694
7695       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
7696       specialised function for a given type:
7697
7698 <programlisting>
7699 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
7700 </programlisting>
7701
7702       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
7703       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
7704
7705     </sect2>
7706
7707 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
7708 <title>SPECIALIZE instance pragma
7709 </title>
7710
7711 <para>
7712 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
7713 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
7714 Same idea, except for instance declarations.  For example:
7715
7716 <programlisting>
7717 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
7718    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
7719    ... usual stuff ...
7720  }
7721 </programlisting>
7722 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
7723 of the instance declaration.
7724 </para>
7725 <para>
7726 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
7727 of the pragma.
7728 </para>
7729
7730 </sect2>
7731
7732     <sect2 id="unpack-pragma">
7733       <title>UNPACK pragma</title>
7734
7735       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
7736       
7737       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
7738       that it should unpack the contents of a constructor field into
7739       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
7740       example:</para>
7741
7742 <programlisting>
7743 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
7744            {-# UNPACK #-} !Float
7745 </programlisting>
7746
7747       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
7748       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
7749       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
7750       floats passed to a non-strict function for example, they will
7751       have to be reboxed (this is done automatically by the
7752       compiler).</para>
7753
7754       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
7755       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
7756       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
7757       often as possible.  For example:</para>
7758
7759 <programlisting>
7760 f :: T -&#62; Float
7761 f (T f1 f2) = f1 + f2
7762 </programlisting>
7763
7764       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
7765       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
7766       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
7767
7768       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
7769       example</para>
7770
7771 <programlisting>
7772 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
7773 </programlisting>
7774
7775       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
7776       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
7777       Multi-level unpacking is also supported:
7778
7779 <programlisting>
7780 data T = T {-# UNPACK #-} !S
7781 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
7782 </programlisting>
7783
7784       will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
7785       directly in the <function>T</function> constructor.  The
7786       unpacker can see through newtypes, too.</para>
7787
7788       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
7789       so it might be an idea to check the generated code with
7790       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
7791
7792       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
7793       which essentially has the effect of adding
7794       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
7795       constructor field.</para>
7796     </sect2>
7797
7798     <sect2 id="source-pragma">
7799       <title>SOURCE pragma</title>
7800
7801       <indexterm><primary>SOURCE</primary></indexterm>
7802      <para>The <literal>{-# SOURCE #-}</literal> pragma is used only in <literal>import</literal> declarations,
7803      to break a module loop.  It is described in detail in <xref linkend="mutual-recursion"/>.
7804      </para>
7805 </sect2>
7806
7807 </sect1>
7808
7809 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
7810
7811 <sect1 id="rewrite-rules">
7812 <title>Rewrite rules
7813
7814 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
7815 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
7816 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
7817
7818 <para>
7819 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
7820 (in a pragma).  
7821 Here is an example:
7822
7823 <programlisting>
7824   {-# RULES
7825   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7826     #-}
7827 </programlisting>
7828 </para>
7829 <para>
7830 Use the debug flag <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules fired.
7831 If you need more information, then <option>-ddump-rule-firings</option> shows you
7832 each individual rule firing in detail.
7833 </para>
7834
7835 <sect2>
7836 <title>Syntax</title>
7837
7838 <para>
7839 From a syntactic point of view:
7840
7841 <itemizedlist>
7842
7843 <listitem>
7844 <para>
7845  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma, separated by semicolons (which
7846  may be generated by the layout rule).
7847 </para>
7848 </listitem>
7849
7850 <listitem>
7851 <para>
7852 The layout rule applies in a pragma.
7853 Currently no new indentation level
7854 is set, so if you put several rules in single RULES pragma and wish to use layout to separate them,
7855 you must lay out the starting in the same column as the enclosing definitions.
7856 <programlisting>
7857   {-# RULES
7858   "map/map"    forall f g xs.  map f (map g xs) = map (f.g) xs
7859   "map/append" forall f xs ys. map f (xs ++ ys) = map f xs ++ map f ys
7860     #-}
7861 </programlisting>
7862 Furthermore, the closing <literal>#-}</literal>
7863 should start in a column to the right of the opening <literal>{-#</literal>.
7864 </para>
7865 </listitem>
7866
7867 <listitem>
7868 <para>
7869  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
7870 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
7871 </para>
7872 </listitem>
7873
7874 <listitem>
7875 <para>
7876 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
7877 immediately after the name of the rule.  Thus:
7878 <programlisting>
7879   {-# RULES
7880         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
7881     #-}
7882 </programlisting>
7883 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
7884 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
7885 Phase 2.
7886 </para>
7887 </listitem>
7888
7889
7890
7891 <listitem>
7892 <para>
7893  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
7894 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
7895 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
7896 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
7897 </para>
7898 </listitem>
7899 <listitem>
7900
7901 <para>
7902  A pattern variable may optionally have a type signature.
7903 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
7904 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
7905
7906 <programlisting>
7907 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
7908               foldr k z (build g) = g k z
7909 </programlisting>
7910
7911 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
7912
7913 </para>
7914 </listitem>
7915 <listitem>
7916
7917 <para>
7918 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
7919 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
7920
7921 <programlisting>
7922 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
7923 "wrong2"   forall f.      f True = True
7924 </programlisting>
7925
7926 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
7927 in the head.
7928 </para>
7929 </listitem>
7930 <listitem>
7931
7932 <para>
7933  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
7934 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
7935 </para>
7936 </listitem>
7937 <listitem>
7938
7939 <para>
7940  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
7941 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
7942 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
7943 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
7944 declarations.
7945 </para>
7946 </listitem>
7947
7948 <listitem>
7949
7950 <para>
7951 Inside a RULE "<literal>forall</literal>" is treated as a keyword, regardless of
7952 any other flag settings.  Furthermore, inside a RULE, the language extension
7953 <option>-XScopedTypeVariables</option> is automatically enabled; see 
7954 <xref linkend="scoped-type-variables"/>.
7955 </para>
7956 </listitem>
7957 <listitem>
7958
7959 <para>
7960 Like other pragmas, RULE pragmas are always checked for scope errors, and
7961 are typechecked. Typechecking means that the LHS and RHS of a rule are typechecked, 
7962 and must have the same type.  However, rules are only <emphasis>enabled</emphasis>
7963 if the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag is 
7964 on (see <xref linkend="rule-semantics"/>).
7965 </para>
7966 </listitem>
7967 </itemizedlist>
7968
7969 </para>
7970
7971 </sect2>
7972
7973 <sect2 id="rule-semantics">
7974 <title>Semantics</title>
7975
7976 <para>
7977 From a semantic point of view:
7978
7979 <itemizedlist>
7980 <listitem>
7981 <para>
7982 Rules are enabled (that is, used during optimisation)
7983 by the <option>-fenable-rewrite-rules</option> flag.
7984 This flag is implied by <option>-O</option>, and may be switched
7985 off (as usual) by <option>-fno-enable-rewrite-rules</option>.
7986 (NB: enabling <option>-fenable-rewrite-rules</option> without <option>-O</option> 
7987 may not do what you expect, though, because without <option>-O</option> GHC 
7988 ignores all optimisation information in interface files;
7989 see <option>-fignore-interface-pragmas</option>, <xref linkend="options-f"/>.)
7990 Note that <option>-fenable-rewrite-rules</option> is an <emphasis>optimisation</emphasis> flag, and
7991 has no effect on parsing or typechecking.
7992 </para>
7993 </listitem>
7994
7995 <listitem>
7996 <para>
7997  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
7998 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
7999 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
8000 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
8001 expression by substituting for the pattern variables.
8002
8003 </para>
8004 </listitem>
8005 <listitem>
8006
8007 <para>
8008  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
8009 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
8010 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
8011
8012 </para>
8013 </listitem>
8014 <listitem>
8015
8016 <para>
8017  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
8018 terminating.  For example:
8019
8020 <programlisting>
8021   "loop"        forall x y.  f x y = f y x
8022 </programlisting>
8023
8024 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
8025
8026 </para>
8027 </listitem>
8028 <listitem>
8029
8030 <para>
8031  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
8032
8033 </para>
8034 </listitem>
8035 <listitem>
8036 <para>
8037  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
8038 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
8039 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
8040 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
8041 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
8042 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
8043 </para>
8044
8045 <para>
8046 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
8047 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
8048 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
8049 </para>
8050 </listitem>
8051 <listitem>
8052
8053 <para>
8054  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
8055 For example, consider:
8056
8057 <programlisting>
8058   let s = map f
8059       t = map g
8060   in
8061   s (t xs)
8062 </programlisting>
8063
8064 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
8065 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
8066 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
8067 not be substituted, and the rule would not fire.
8068
8069 </para>
8070 </listitem>
8071 <listitem>
8072
8073 <para>
8074 Ordinary inlining happens at the same time as rule rewriting, which may lead to unexpected
8075 results.  Consider this (artificial) example
8076 <programlisting>
8077 f x = x
8078 {-# RULES "f" f True = False #-}
8079
8080 g y = f y
8081
8082 h z = g True
8083 </programlisting>
8084 Since <literal>f</literal>'s right-hand side is small, it is inlined into <literal>g</literal>,
8085 to give
8086 <programlisting>
8087 g y = y
8088 </programlisting>
8089 Now <literal>g</literal> is inlined into <literal>h</literal>, but <literal>f</literal>'s RULE has
8090 no chance to fire.  
8091 If instead GHC had first inlined <literal>g</literal> into <literal>h</literal> then there
8092 would have been a better chance that <literal>f</literal>'s RULE might fire.  
8093 </para>
8094 <para>
8095 The way to get predictable behaviour is to use a NOINLINE 
8096 pragma on <literal>f</literal>, to ensure
8097 that it is not inlined until its RULEs have had a chance to fire.
8098 </para>
8099 </listitem>
8100 </itemizedlist>
8101
8102 </para>
8103
8104 </sect2>
8105
8106 <sect2>
8107 <title>List fusion</title>
8108
8109 <para>
8110 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
8111 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
8112 intermediate list should be eliminated entirely.
8113 </para>
8114
8115 <para>
8116 The following are good producers:
8117
8118 <itemizedlist>
8119 <listitem>
8120
8121 <para>
8122  List comprehensions
8123 </para>
8124 </listitem>
8125 <listitem>
8126
8127 <para>
8128  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
8129 </para>
8130 </listitem>
8131 <listitem>
8132
8133 <para>
8134  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
8135 </para>
8136 </listitem>
8137 <listitem>
8138
8139 <para>
8140  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
8141 </para>
8142 </listitem>
8143 <listitem>
8144
8145 <para>
8146  <function>++</function>
8147 </para>
8148 </listitem>
8149
8150 <listitem>
8151 <para>
8152  <function>map</function>
8153 </para>
8154 </listitem>
8155
8156 <listitem>
8157 <para>
8158 <function>take</function>, <function>filter</function>
8159 </para>
8160 </listitem>
8161 <listitem>
8162
8163 <para>
8164  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
8165 </para>
8166 </listitem>
8167 <listitem>
8168
8169 <para>
8170  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
8171 </para>
8172 </listitem>
8173
8174 </itemizedlist>
8175
8176 </para>
8177
8178 <para>
8179 The following are good consumers:
8180
8181 <itemizedlist>
8182 <listitem>
8183
8184 <para>
8185  List comprehensions
8186 </para>
8187 </listitem>
8188 <listitem>
8189
8190 <para>
8191  <function>array</function> (on its second argument)
8192 </para>
8193 </listitem>
8194 <listitem>
8195
8196 <para>
8197  <function>++</function> (on its first argument)
8198 </para>
8199 </listitem>
8200
8201 <listitem>
8202 <para>
8203  <function>foldr</function>
8204 </para>
8205 </listitem>
8206
8207 <listitem>
8208 <para>
8209  <function>map</function>
8210 </para>
8211 </listitem>
8212 <listitem>
8213
8214 <para>
8215 <function>take</function>, <function>filter</function>
8216 </para>
8217 </listitem>
8218 <listitem>
8219
8220 <para>
8221  <function>concat</function>
8222 </para>
8223 </listitem>
8224 <listitem>
8225
8226 <para>
8227  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
8228 </para>
8229 </listitem>
8230 <listitem>
8231
8232 <para>
8233  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
8234 will fuse with one but not the other)
8235 </para>
8236 </listitem>
8237 <listitem>
8238
8239 <para>
8240  <function>partition</function>
8241 </para>
8242 </listitem>
8243 <listitem>
8244
8245 <para>
8246  <function>head</function>
8247 </para>
8248 </listitem>
8249 <listitem>
8250
8251 <para>
8252  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
8253 </para>
8254 </listitem>
8255 <listitem>
8256
8257 <para>
8258  <function>sequence&lowbar;</function>
8259 </para>
8260 </listitem>
8261 <listitem>
8262
8263 <para>
8264  <function>msum</function>
8265 </para>
8266 </listitem>
8267 <listitem>
8268
8269 <para>
8270  <function>sortBy</function>
8271 </para>
8272 </listitem>
8273
8274 </itemizedlist>
8275
8276 </para>
8277
8278  <para>
8279 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
8280
8281 <programlisting>
8282 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
8283 </programlisting>
8284
8285 </para>
8286
8287 <para>
8288 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
8289 a lot which are not included, please tell us.
8290 </para>
8291
8292 <para>
8293 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
8294 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
8295 </para>
8296
8297 </sect2>
8298
8299 <sect2 id="rule-spec">
8300 <title>Specialisation
8301 </title>
8302
8303 <para>
8304 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
8305 present in earlier versions of GHC.
8306 For example, suppose that:
8307
8308 <programlisting>
8309 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
8310 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
8311 </programlisting>
8312
8313 where <function>intLookup</function> is an implementation of
8314 <function>genericLookup</function> that works very fast for
8315 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
8316 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
8317 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
8318 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
8319 It used to be possible to write
8320
8321 <programlisting>
8322 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
8323 </programlisting>
8324
8325 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
8326
8327 <programlisting>
8328 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
8329 </programlisting>
8330
8331 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
8332 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
8333 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
8334 What is more, this rule does not need to be in the same
8335 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
8336 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
8337 have an original definition available to specialise).
8338 </para>
8339
8340 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
8341 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
8342 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
8343
8344 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
8345 specialisation will Win Big:
8346
8347 <programlisting>
8348 toDouble :: Real a => a -> Double
8349 toDouble = fromRational . toRational
8350
8351 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
8352 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
8353 </programlisting>
8354
8355 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
8356 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
8357 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
8358 comparison.
8359 </para>
8360
8361 </sect2>
8362
8363 <sect2>
8364 <title>Controlling what's going on</title>
8365
8366 <para>
8367
8368 <itemizedlist>
8369 <listitem>
8370
8371 <para>
8372  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
8373 </para>
8374 </listitem>
8375 <listitem>
8376
8377 <para>
8378  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
8379 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
8380 </para>
8381 </listitem>
8382 <listitem>
8383
8384 <para>
8385  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks like this:
8386
8387 <programlisting>
8388         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
8389         {-# INLINE build #-}
8390         build g = g (:) []
8391 </programlisting>
8392
8393 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
8394 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
8395 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
8396 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
8397
8398 </para>
8399 </listitem>
8400 <listitem>
8401
8402 <para>
8403  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
8404 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
8405 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
8406 </para>
8407 </listitem>
8408
8409 </itemizedlist>
8410
8411 </para>
8412
8413 </sect2>
8414
8415 <sect2 id="core-pragma">
8416   <title>CORE pragma</title>
8417
8418   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
8419   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
8420   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
8421
8422 <para>
8423   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
8424   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
8425   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
8426   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
8427   literal as an argument.  The following function definition shows an
8428   example:
8429
8430 <programlisting>
8431 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
8432 </programlisting>
8433
8434   Semantically, this is equivalent to:
8435
8436 <programlisting>
8437 g x = show x
8438 </programlisting>
8439 </para>
8440
8441 <para>
8442   However, when external core is generated (via
8443   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
8444   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
8445   The core function declaration for <function>f</function> is:
8446 </para>
8447
8448 <programlisting>
8449   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
8450                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
8451     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
8452         (%note "foo"
8453          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
8454            {GHCziShow.ZCDShow
8455             (tpl1::GHCziBase.Int ->
8456                    a ->
8457                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8458 r)
8459             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
8460             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
8461                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
8462 r) ->
8463               tpl2})
8464         (%note "bar"
8465          eta);
8466 </programlisting>
8467
8468 <para>
8469   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
8470   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
8471   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
8472   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
8473   <varname>x</varname>).
8474 </para>
8475
8476 </sect2>
8477
8478 </sect1>
8479
8480 <sect1 id="special-ids">
8481 <title>Special built-in functions</title>
8482 <para>GHC has a few built-in functions with special behaviour.  These
8483 are now described in the module <ulink
8484 url="../libraries/ghc-prim/GHC-Prim.html"><literal>GHC.Prim</literal></ulink>
8485 in the library documentation.</para>
8486 </sect1>
8487
8488
8489 <sect1 id="generic-classes">
8490 <title>Generic classes</title>
8491
8492 <para>
8493 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
8494 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
8495 An example will give the idea:
8496 </para>
8497
8498 <programlisting>
8499   import Generics
8500
8501   class Bin a where
8502     toBin   :: a -> [Int]
8503     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
8504   
8505     toBin {| Unit |}    Unit      = []
8506     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
8507     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
8508     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
8509   
8510     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
8511     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
8512     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
8513     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
8514                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
8515 </programlisting>
8516 <para>
8517 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
8518 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
8519 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
8520 </para>
8521 <programlisting>
8522   data Unit    = Unit
8523   data a :+: b = Inl a | Inr b
8524   data a :*: b = a :*: b
8525 </programlisting>
8526 <para>
8527 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
8528 <programlisting>
8529   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
8530   instance Bin a => Bin [a]
8531 </programlisting>
8532 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
8533 where clause and over-ride whichever methods you please.
8534 </para>
8535
8536     <sect2>
8537       <title> Using generics </title>
8538       <para>To use generics you need to</para>
8539       <itemizedlist>
8540         <listitem>
8541           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
8542                 <option>-XGenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
8543                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
8544                 available.  </para>
8545         </listitem>
8546         <listitem>
8547           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
8548           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
8549           scope the data types <literal>Unit</literal>,
8550           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
8551           don't need this import if you don't mention these types
8552           explicitly; for example, if you are simply giving instance
8553           declarations.)</para>
8554         </listitem>
8555       </itemizedlist>
8556     </sect2>
8557
8558 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
8559 <para>
8560 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
8561 can be written infix (indeed, you can now use
8562 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
8563 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
8564 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
8565 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
8566 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
8567 anticipate wanting).
8568 </para>
8569 </sect2>
8570
8571 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
8572 <para>
8573 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
8574 is one that is defined using type patterns as above.
8575 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
8576 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
8577 generic default method.
8578 </para>
8579
8580 <para>
8581 Restrictions:
8582 <itemizedlist>
8583 <listitem>
8584 <para>
8585 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
8586 field labels.
8587 </para>
8588 </listitem>
8589
8590 <listitem>
8591 <para>
8592 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
8593 multi-parameter class.
8594 </para>
8595 </listitem>
8596
8597 <listitem>
8598 <para>
8599 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
8600 without.  So this is illegal:
8601 <programlisting>
8602   class Foo a where
8603     op :: a -> (a, Bool)
8604     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
8605     op x               = (x,    False)
8606 </programlisting>
8607 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
8608 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
8609 </para>
8610 </listitem>
8611
8612 <listitem>
8613 <para>
8614 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
8615 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:
8616 <programlisting>
8617   class Foo a where
8618     op :: a -> Bool
8619     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
8620     ...
8621 </programlisting>
8622 </para>
8623 </listitem>
8624
8625 <listitem>
8626 <para>
8627 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
8628 <programlisting>
8629        a :+: b
8630        a :*: b
8631        Unit
8632 </programlisting>
8633 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
8634 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
8635 must use the same type variables.  So this is illegal:
8636 <programlisting>
8637   class Foo a where
8638     op :: a -> Bool
8639     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
8640     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
8641 </programlisting>
8642 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
8643 So this too is illegal:
8644 <programlisting>
8645   class Foo a where
8646     op1 :: a -> Bool
8647     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
8648
8649     op2 :: a -> Bool
8650     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
8651 </programlisting>
8652 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type constructor
8653 into a single generic instance declaration.)
8654 </para>
8655 </listitem>
8656
8657 <listitem>
8658 <para>
8659 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
8660 </para>
8661 </listitem>
8662
8663 <listitem>
8664 <para>
8665 The type for a generic method can be built only from:
8666   <itemizedlist>
8667   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
8668   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
8669   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
8670   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
8671   </itemizedlist>
8672 Here are some example type signatures for generic methods:
8673 <programlisting>
8674     op1 :: a -> Bool
8675     op2 :: Bool -> (a,Bool)
8676     op3 :: [Int] -> a -> a
8677     op4 :: [a] -> Bool
8678 </programlisting>
8679 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
8680 inside a list.  
8681 </para>
8682 <para>
8683 This restriction is an implementation restriction: we just haven't got around to
8684 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
8685 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
8686 to the ones that are allowed.</para>
8687 </listitem>
8688
8689 <listitem>
8690 <para>
8691 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
8692 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
8693 do so if
8694   <itemizedlist>
8695   <listitem>
8696   <para>
8697   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
8698   </para>
8699   </listitem>
8700   <listitem>
8701   <para>
8702   No constructor of the instance type has unboxed fields.
8703   </para>
8704   </listitem>
8705   </itemizedlist>
8706 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
8707 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
8708 provided you give explicit code to override any generic default methods.
8709 </para>
8710 </listitem>
8711
8712 </itemizedlist>
8713 </para>
8714
8715 <para>
8716 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
8717 what the compiler does with generic declarations.
8718 </para>
8719
8720 </sect2>
8721
8722 <sect2> <title> Another example </title>
8723 <para>
8724 Just to finish with, here's another example I rather like:
8725 <programlisting>
8726   class Tag a where
8727     nCons :: a -> Int
8728     nCons {| Unit |}    _ = 1
8729     nCons {| a :*: b |} _ = 1
8730     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
8731   
8732     tag :: a -> Int
8733     tag {| Unit |}    _       = 1
8734     tag {| a :*: b |} _       = 1   
8735     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
8736     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
8737 </programlisting>
8738 </para>
8739 </sect2>
8740 </sect1>
8741
8742 <sect1 id="monomorphism">
8743 <title>Control over monomorphism</title>
8744
8745 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
8746 carried out at let and where bindings.
8747 </para>
8748
8749 <sect2>
8750 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
8751           <indexterm><primary><option>-XNoMonomorphismRestriction</option></primary></indexterm>
8752
8753 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
8754 <ulink url="http://www.haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
8755 4.5.5</ulink>
8756 of the Haskell Report)
8757 can be completely switched off by
8758 <option>-XNoMonomorphismRestriction</option>.
8759 </para>
8760 </sect2>
8761
8762 <sect2>
8763 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
8764           <indexterm><primary><option>-XNoMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8765           <indexterm><primary><option>-XMonoPatBinds</option></primary></indexterm>
8766
8767           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
8768           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
8769             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
8770             and is not a simple variable.  For example:
8771 <programlisting>
8772   f x = x                    -- Not a pattern binding
8773   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
8774   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
8775
8776   (g,h) = e                  -- A pattern binding
8777   (f) = e                    -- A pattern binding
8778   [x] = e                    -- A pattern binding
8779 </programlisting>
8780 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
8781 default</emphasis>.  Use <option>-XNoMonoPatBinds</option> to recover the
8782 standard behaviour.
8783 </para>
8784 </sect2>
8785 </sect1>
8786
8787
8788
8789 <!-- Emacs stuff:
8790      ;;; Local Variables: ***
8791      ;;; mode: xml ***
8792      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
8793      ;;; ispell-local-dictionary: "british" ***
8794      ;;; End: ***
8795  -->
8796