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