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