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